CC BY
23ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.3.032.213.63:546.431-31
Одновременное активирование автоэлектронного и вторично-эмиссионного катодов магнетрона с безнакальным запуском
И.П. Ли1, В.С. Петров1, В.С. Поляков1, А.Д. Силаев1,
112 Н.Е. Харитонова , А.А. Минин , А.И. Гайдар
1ОАО «Плутон» (г.Москва)
2Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий (г.Москва)
Рассмотрены процессы изготовления вторично-эмиссионных катодов Pd-Pd5Ba. Определены параметры физико-химических процессов, ответственных за перестройку поверхности рабочих кромок автоэлектронных катодов при активировании вторично-эмиссионных катодов. Эмиссия с катодов обеспечивает инициирование генерации в магнетронах с безна-кальным запуском.
Ключевые слова: термическая обработка, вторично-эмиссионный катод, автоэлектронный катод, безнакальный запуск, нитевидные кристаллы, ячейка Кнудсена.
Катодные узлы магнетронов с безнакальным запуском состоят из комбинации, или симбиоза, чередующихся автоэлектронных (АЭК) и вторично-эмиссионных катодов (ВЭК), изготовленных из специальных композиционных материалов с определенной структурой и свойствами. Мгновенная готовность (генерация с первого импульса модулирующего напряжения) в магнетронах с безнакальным запуском достигается в результате разделения катода на две функциональные части, одна из которых (АЭК) ответственна за инициирование генерации, а вторая часть (ВЭК) - за ее поддержание.
Детальные исследования, выполненные при разработке и выпуске подобных магнетронов, показали, что воспроизводимость электрических параметров и срок их службы в первую очередь зависят от надежности ВЭК. В условиях ионной и электронной бомбардировок ВЭК наряду с сохранением своих вторично-эмиссионных свойств должны непрерывно и стабильно активировать АЭК. Процесс активирования вторично-эмиссионного палладий-бариевого катода, полученного методом порошковой металлургии из смеси порошков Pd-Pd5Ba, рассмотрен в [1, 2, 3]. После многократных испытаний магнетронов в штатном режиме установлено, что процесс активирования ВЭК связан с процессом активирования АЭК. Под активированием АЭК понимается увеличение воздействия геометрического усиления поля при термополевой перестройке поверхности его рабочей кромки.
Цель настоящей работы - определение параметров физико-химических процессов, ответственных за перестройку поверхности рабочих кромок АЭК в процессе активирования ВЭК.
© И.П. Ли, В.С. Петров, В.С. Поляков, А.Д. Силаев, Н.Е. Харитонова, А.А. Минин, А.И. Гайдар, 2014
Металлический палладий получают в виде порошка, который применяется для изготовления палладиевых полуфабрикатов - фольги, полосы и литейных заготовок, а также сплавов методом совместного плавления компонентов. В катодной технике исходный порошок напрямую используется для изготовления эмиссионно-активных сплавов методом твердофазного спекания смеси порошков заданных компонентов.
В работе [4] предложен способ получения металлического палладия в растворе по реакции восстановления. Для этого в кислый или щелочной раствор вводят хлорпалла-дозамин и формиат натрия:
Рё(№)2С12 + КаСООИ=Рё + ШС1 + №01 + СО2 + №.
После окончания процесса его повторяют, при этом повторное восстановление палладия происходит в первую очередь на самых мелких частицах, образовавшихся на первом цикле. Получение однородных по размеру частиц происходит при многократных циклах восстановления (таблица).
Влияние количества циклов восстановления на зернистость
Номер опыта Количество циклов Насыпная масса порошка, г/см3 Количество частиц размером 100 мкм, %
1 2 0,8 5,0
2 5 2,2 26,0
3 8 3,1 41,0
4 12 3,7 67,0
5 15 4,0 85,0
Порошок металлического палладия формируется в виде сросшихся сферических частиц с бугристой поверхностью, которая отражает многоцикловый процесс реакции восстановления (рис.1). При каждом цикле восстановления на поверхности частиц образуются кристаллиты, которые свободно растут в плоскости, касательной к поверхности сферы. Сферические частицы палладия формируются за счет послойного наращивания плоских пластинок на первичную частицу. Площадь и толщина каждой пластинки на всех частицах незначительно отличаются друг от друга. Межбугорковые (межкристаллитные) границы являются дефектными, а в объеме частицы могут содержаться поры (рис.2) [5].
Термическая вакуумно-водородная обработка исходного порошка. Термообработка исходного порошка проводилась при температуре 850 °С последовательно в среде
Рис.2. Условная схема строения нано-кристаллического материала с пустотами, размер которых определяется по времени аннигиляции позитронов т: XI - межкристаллитная граница; т2 -тройной стык кристаллитов; т3 - большая пора на месте отсутствующего кристаллита
водорода при избыточном давлении Ризб = 0,3 атм в течение 15 мин для удаления сопутствующих примесей кислорода и углерода, затем в вакууме для удаления остатков водорода при давлении остаточных газов Рост ~ 1-10 Па в течение 60 мин [6].
Для изучения изменения формы и топографии поверхности частиц в процессе термообработки проводились электронно-микроскопические исследования порошковых материалов на растровом электронном микроскопе EVO 40 фирмы Zeiss, оснащенном SDD кремниевым дрейфовым детектором X Flash 1106.
При нагревании в атмосфере водорода происходит диффузионное проницание водорода [7, 8] в частицы палладия с нано-, мезо- и микропорами. Образование гидридов палладия сопровождается эффектом «выпучивания» [8], а повышение давления водорода в пустотах приводит к пластической деформации, создаются условия для «раздувания» частицы, она становится пустотелой. В какой-то момент происходит разрушение стенки, образуется отверстие, давление в пустотах становится равным внешнему давлению. Электронно-микроскопические исследования показали, что исходный порошок при термовакуумной обработке превращается в конгломераты пустотелых частиц, являющихся совокупностью ячеек Кнудсена, в основном сферической или трубчатой формы (рис.3).
а б
Рис.3. Микрофотография частиц палладия после водородно-вакуумного отжига: а - отверстия в раздутых частицах; б - цилиндрическая пора диаметром около 2 мкм
Эмиссионно-активную фазу Pd5Ba получают при выдержке палладия в расплаве бария и его пара для получения компактного слитка [9], который затем размалывается в шаровой мельнице до тонкодисперсного состояния. Исходный порошок фазы показан на рис.4. Форма частиц характеризует хрупкое разрушение при размоле в шаровой мельнице.
Метод порошковой металлургии для получения двухфазного сплава Pd-Pd5Ba.
При изготовлении вторично-эмиссионных катодов Pd-Pd5Ba методом порошковой металлургии использовались порошки Pd и Pd5Ba одинаковых фракций двух размеров: 20 - 45 мкм или 45 - 63 мкм. Порошки смешивались на смесителе типа «Turbula T2F». Холодное прессование смеси порошков
Рис.4. Микрофотография частиц эмиссионно-активной фазы Pd5Ba
проводилось в стальной пресс-форме с удельным усилием прессования 8 - 9 т/см2. Полученные холодные прессовки (рис.5) спекались в вакууме при следующих условиях: температура 1050 °С, длительность спекания 90 мин, давление остаточных газов Рост ~ Ы0-3Па. Пористость образцов после спекания составляла 5 - 6%.
а б
Рис.5. Микрофотография поверхности образца смеси порошков Pd+Pd5Ba после холодного прессования и спекания с фрагментами частиц активной фазы (а) и увеличенный ее фрагмент (б)
Формообразование ВЭК проводилось по следующей технологической цепочке: рассеивание исходных порошков для получения нужной фракции; взвешивание исходных порошков палладия и активной фазы; смешение исходных порошков; холодное прессование смеси исходных порошков; спекание прессовки смеси исходных порошков (см. рис.5); сборка катодного узла, монтаж его в корпусе магнетрона, вакууммирование, одновременное активирование вторично-эмиссионного и автоэлектронного катода при температуре 1000 °С.
Вторично-эмиссионные катоды, полученные компактированием порошков, отличаются по своим физико-химическим свойствам от катодов, полученных методом плавления компонентов. Наибольшие нарушения кристаллической структуры порошковой двухфазной композиции проявляются в наличии остаточной пористости, межфазных и межзеренных границах, в местах тройных стыков межзеренных границ. Следует отметить, что плотность потока испарения палладия компактированного катода значительно больше, чем для плавленого из-за более развитой поверхности. Можно представить полученную структуру как совокупность ячеек Кнудсена с испаряющимися стенками, когда испарение палладия происходит во всем объеме, а вклад свободной поверхности является малозначительным.
Ячейка Кнудсена с испаряющимися стенками из палладия описана в работе [10]. В [11] на примере ячейки Кнудсена с испаряющимися стенками из кальция показано, что плотность потока испарения в равновесных условиях приблизительно в 1000 раз больше, чем при испарении с открытой поверхности. В отличие от компактированного катода плавленый катод испаряется только с открытой поверхности. Таким образом, перенос палладия из вторично-эмиссионного компактированного порошкового катода на танталовые диски АЭК протекает более интенсивно, чем из плавленого. Можно предположить, что появление палладиевой пленки на танталовых дисках АЭК при активировании происходит по механизму испарения и конденсации только при использовании ВЭК, изготовленного методом порошковой металлургии.
После вакуумного отжига прессовка приобретает необходимую прочность за счет физико-химических процессов, ответственных за твердофазное спекание - поверхностной диффузии и парофазного переноса между частицами палладия. Конечным результатом спекания является образование двухфазной поликристаллической структуры (см. рис.5). Топография поверхности показывает, что частицы палладиевой матрицы не смачивают поверхность частиц активной фазы Pd5Ba. Взаимодействие частиц фазы и частиц порошка палладия происходит по механизму механического закрепления. Граница фаза-палладий насыщена микропорами в большей степени, чем области формообразующего палладия.
Одновременное активирование ВЭК и АЭК в сборке в условиях отбора термоэлектронного тока. Катодный узел магнетрона работает в условиях высокой температуры и высокой напряженности внешнего электрического поля. При этом происходят одновременно несколько сложных физико-химических процессов: автоэлектронная эмиссия и полевое испарение с исходного катода, автоэлектронная эмиссия и термополевое испарение с образующихся макро-, микро- и нановыступов на поверхности исходного катода. Выступы образуются на поверхности как острийных, так и лезвийных автоэлектронных катодов из тугоплавких металлов.
Термополевые выступы могут вырасти на поверхности автоэлектронного катода, когда пондеромоторное давление сил электростатического поля РЕ = Е / 8п превышает лапласово давление капиллярных сил Ру = 2у / г. Здесь у - коэффициент поверхностного натяжения материала автоэлектронного катода (для упрощенных расчетов можно принять, что у не зависит от температуры); г - радиус кривизны автоэлектронного катода; РЕ и Ру - термодинамические константы термополевого испарения [12, 13]. Кинетические константы термополевого испарения - это предэкспоненциальный множитель и энергия активации в уравнении температурной зависимости коэффициента электродиффузии.
Для всех тугоплавких металлов термополевые выступы появляются при относительно высоких температурах, когда поверхностная самодиффузия достаточно заметна, и при высокой напряженности внешнего электрического поля, когда действие понде-ромоторных сил становится достаточным для деформирования плоской поверхности. Температурный и полевой режимы работы катода в магнетроне не обеспечивают условий образования термополевых выступов для автоэлектронных катодов из тугоплавких металлов. Однако активирование при таких условиях возможно, но только за счет диффузии палладия по танталу.
В работе [13] предложена классификация способов формообразования нановысту-
пов:
- при РЕ > Ру образуются стационарные нановыступы, которые формоустойчивы за счет динамического равновесия между потоком поверхностной диффузии атомов к вершине нановыступа и потоком полевого испарения ионов с его вершины;
- если РЕ незначительно превышает Ру, нановыступы являются эффективными точечными ионными источниками данного тугоплавкого металла;
- при РЕ = Ру реализуется устойчивая автоэлектронная эмиссия, полевое испарение отсутствует.
Коэффициент поверхностного натяжения свободной поверхности тантала у = 2880 мН/м, для палладия у = 1800 мН/м. При толщине танталового диска 4 мкм радиус кривизны лезвийного катода г = 0,01 мкм. Для тантала лапласово давление капиллярных сил Ру = 2-2,88 /1-10-8= 5,76-108 Н/м2, для палладия Ру = 2-1,8 /1-10-8= 3,6-108 Н/м2
5 3
Если условно принять PE = PY , то для тантала Е =1,2-10 В/м = 1,2-10 В/см, для
4 2 и w
палладия Е =3-10 В/м = 3-10 В/см. Отметим, что порог неустойчивости плоской формы автоэлектронного катода в момент формирования нановыступов преодолевается для палладия при более низкой напряженности внешнего электрического поля, чем для тантала.
Создание многоострийной структуры АЭК. Можно предположить, что формирование нановыступов приводит к росту колонии нитевидных кристаллов, т.е. к возникновению многоострийного автоэлектронного катода. Для проверки этого предположения процесс испарения палладия с поверхности вторично-эмиссионных шайб и конденсацию его на танталовые диски автоэлектронных катодов проводился в экспериментальном вакуумном диоде при температуре 1000 °С в течение 60 мин и внешнем анодном напряжении 100 - 300 В. Затем катодный узел помещался в вакуумную камеру растрового электронного микроскопа для оценки изменения топологии поверхности у рабочей кромки автоэлектронного катода после термополевого воздействия.
Метод электронной микроскопии позволил обнаружить, что тонкая диффузионно-подвижная пленка при достижении областей с геометрическим усилением поля танталовым лезвием эффективно деформировалась с образованием палладиевых нитевидных кристаллов на танталовой подложке. На рабочих кромках автокатода реализовался эффект дополнительного геометрического усиления поля, т.е. произошел переход от лезвийного катода к много-острийному (рис.6).
Представляет практический интерес возможность регулировать число палладие-вых нитевидных кристаллов при варьировании температуры и анодного напряжения
[12, 14].
Таким образом, одновременное активирование вторично-эмиссионного и автоэлектронного катода приводит к следующим положительным эффектам:
- для магнетрона с катодным узлом, состоящим из комбинации 4 АЭК и 3 ВЭК, ток автоэлектронной эмиссии повысился с 10 - 12 мА до 30 - 40 мА, что позволило проводить тренировку в динамическом режиме без подогрева катода;
- длительность тренировки в динамическом режиме снизилась с 6 - 8 ч до 3 - 4 ч;
- возросла равномерность плотности тока вторично-эмиссионного катода, при этом повысилась стабильность и воспроизводимость электрических параметров магнетрона.
Литература
1. Анализ современных представлений о синтезе наноразмерных эмиссионных гетероструктур на поверхности палладий-бариевого катода при активировании / И.П. Ли, В.С. Поляков, А.Д. Силаев и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2012. - №3 (95). - С. 19 - 25.
2. Исследование процесса активации прессованного палладий-бариевого катода магнетрона с безна-кальным запуском / И.П. Ли, В.С. Петров, В.В. Васильевский и др. // Изв. вузов. Электроника. - 2012. -№ 6 (98). - С.17 - 25.
Рис.6. Микрофотография палладиевых нитевидных кристаллов на тантале в местах с максимальным геометрическим усилением электрического поля
3. Магнетрон с безнакальным катодом / И.П.Ли, Б.Ч.Дюбуа, Н.В.Каширина и др. // Патент РФ № 2380784, приоритет от 24.10.2008 г.
4. Способ получения металлического палладия / Назаров Ю.Н., Туляков Н.В., Горбатенко В.П. и др. // Патент РФ № 2154685.
5. Гусев А.И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и соединениях // Успехи физических наук. - 1998. - Т. 168. - № 1. - С. 55-83.
6. Ли И.П., Бондаренко Г.Г. Использование водородно-вакуумной обработки порошков палладия для получения эффективных металлосплавных катодов безнакального магнетрона // Перспективные материалы. - 2012. - № 1. - С. 30-34.
7. Полянский А.М., Полянский В.А., Попов-Дюмин Д.Б. Характер диффузии водорода в некоторых металлах // Альтернативная энергетика и экология - 2005. - № 05. - С. 50-51.
8. Гольцова М.В., Жиров Г.И. Водородоупругие и водородопластические эффекты на поверхности палладия при его насыщении водородом // Альтернативная энергетика и экология. - 2005. - № 1(21). -С. 34 - 41.
9. Власко А.В. Процессы, происходящие при магнитной сепарации твердых дисперсных сред, и их роль в технике получения экологически безопасных конструкционных материалов для радиоэлектроники: автореф. дис. - М., 2010.
10. Композитный материал на основе пористого титана для селективного поглощения водорода из газовых смесей / Н.Л. Кореновский, В.С. Петров, А.А. Полунина и др. // Изв. вузов. Электроника. -2013. - № 2 (100). - С. 9 - 16.
11. Петров В.С., Шмыков А.А. Давление пара и коэффициент конденсации твердого кальция // Изв. вузов. Цветная металлургия. - 1972. -№ 6. - С. 74 - 78.
12. Голубев О.Л., Шредник В.Н. Термополевые формоизменения сплава вольфрам-гафний // Журнал технической физики. - 2003. - Т. 73. - Вып.6. - С. 118-122.
13. Голубев О.Л., Ивченко В.А. Регулирование количества локальных эмитирующих нановыступов на поверхности полевого эмиттера // Письма в ЖЭТФ. - 2012. - Т. 38. - Вып. 20. - С. 63 - 68.
14. Ли И.П., Комиссарчик С.В., Лифанов Н.Д. Магнетрон с безнакальным запуском со специальным активированием автоэлектронных катодов // Патент РФ № 2494489, приоритет от 10.02.2012 г.
Статья поступила 24 декабря 2013 г.
Ли Илларион Павлович - кандидат технических наук, начальник отдела разработки катодов ОАО «Плутон» (г. Москва). Область научных интересов: исследование физико-химических свойств эффективных катодов, модификаций структуры и эмиссионной поверхности катодов, исследование и конструирование катодно-подогревательных систем электровакуумных приборов СВЧ-техники. E-mail: ork@pluton.msk.ru
Петров Владимир Семёнович - кандидат технических наук, инженер-технолог ОАО «Плутон» (г. Москва). Область научных интересов: физико-химические процессы на межфазных поверхностях раздела твердое тело - газ (вакуум): испарение, окисление, адсорбция, абсорбция, десорбция, электронная и ионная эмиссия, термогравиметрия и масс-спектрометрия.
Поляков Владимир Сергеевич - начальник лаборатории ОАО «Плутон» (г. Москва). Область научных интересов: исследование и разработка новых эмиссионных материалов для электровакуумных приборов ионно-плазменными методами.
Силаев Александр Дмитриевич - начальник лаборатории ОАО «Плутон» (г. Москва). Область научных интересов: исследование и разработка плотных композиционных покрытий для электровакуумных приборов миллиметрового диапазона длин волн.
Харитонова Наталья Евгеньевна - инженер-технолог ОАО «Плутон» (г. Москва), аспирант кафедры микросистемной техники, материаловедения и технологий МИЭМ НИУ ВШЭ. Область научных интересов: исследование тепловых, механи-
ческих и эмиссионных характеристик оксидно-никелевых катодов в магнетронах сантиметрового диапазона длин волн с воспроизводимыми и стабильными параметрами.
Минин Артемий Александрович - инженер-технолог ОАО «Плутон» (г. Москва). Область научных интересов: исследование и разработка перспективных прессованных палладий- и платина-бариевых катодов для магнетронов.
Гайдар Анна Ивановна - старший научный сотрудник НИИ ПМТ (г. Москва). Область научных интересов: электронно-микроскопические исследования топографии поверхности материалов, деталей и узлов радиоэлектронной и космической техники, элементный рентгеновский микроанализ компактных и порошковых материалов.
Гарматюк С. С. сигналов: учебное Пресс, 2012.-672 с.
.ер»
Задачник
по устройствам
генерирования
радиосигналов
Задачник по устройствам генерирования радиопособие для вузов. Рекомендовано УМО. - М.: ДМК
ISBN 978-5-94074-796-3
Книга содержит 2000 задач и вопросов по характеристикам и параметрам высокочастотных активных элементов; электромагнитным цепям ВЧ и СВЧ; энергетическим соотношениям в генераторах; ключевым и широкополосным усилителям; устройствам сложения мощностей; умножителям частоты; автогенераторам и синтезаторам частот; передатчикам с амплитудной, однополосной, импульсной и угловой модуляцией; генераторам на пролётных клистронах, магнетронах, митронах, ЛБВ; ламповым, транзисторным и диодным генераторам СВЧ, а также квантовым генераторам.
По каждому разделу задачника даны основные расчетные соотношения, приближённые к практическим. Для всех задач приведены решения и ответы. В приложениях помещены справочные материалы и программы расчетов.
Задачник рассчитан на студентов, изучающих дисциплины «Устройства генерирования и формирования радиосигналов» или «Радиопередающие устройства», а также смежные дисциплины: «Теория радиотехнических цепей», «Электроника», «Схемотехника», «Устройства СВЧ и антенны», «Теория колебаний» и др. Книга содержит большое количество схем, расчетных формул и примеров расчета и потому будет полезна в качестве справочника студентам при курсовом и дипломном проектировании, инженерно-техническим работникам и квалифицированным радиолюбителям.
