RU2071136C1

RU2071136C1 - Shf device of m-type

Info

Publication number: RU2071136C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Махов
Original assignee: Индивидуальное частное предприятие фирма "Ламинар"
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1996-12-27

Abstract

FIELD: electronics, radio engineering. SUBSTANCE: invention is intended for design of SHF device operating at low working voltages (from kilovolts to hundreds volts and below). SHF device has anode 1, cathode 2 placed coaxially and composed of autoelectron and secondary emission emitters. In body 3 of the latter at least one hole 4 is made. Body of autoelectron emitter following shape of hole is placed in opposition to it. It is attached to carrying electrode and is insulated from body of secondary emission emitter. Hole may be located in unspecified direction with regard to axis of device. Radius of autoelectron emitter body is longer than that of secondary emission emitter by value amounting to not more than 10% of interelectrode gap of device. Inner surfaces of secondary emission emitter body may carry film of material with small output and additional emitters of radius smaller than that of body of main autoelectron emitter may be positioned on carrying electrode under the film. EFFECT: facilitated manufacture, improved operational stability. 9 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к СВЧ приборам М-типа с автоэлектронным запуском - магнетронам. The invention relates to microwave devices of M-type with auto-electronic triggering - magnetrons.

Известен СВЧ-прибор М-типа (пат. Франция 1.306999, Н 01 J 1/30 1962 г.), содержащий анод и катод, выполненный в виде попеременно чередующихся автоэлектронных и вторично-эмиссионных эмиттеров, закрепленных на несущем стержне. Known microwave device M-type (US Pat. France 1.306999, H 01 J 1/30 1962), containing the anode and cathode, made in the form of alternating alternating field-emission and secondary-emission emitters mounted on a carrier rod.

Недостатком такого СВЧ-прибора является то, что его катод не обеспечивает заданной эмиссии при больших рабочих напряжениях, составляющих несколько киловольт. The disadvantage of such a microwave device is that its cathode does not provide a given emission at high operating voltages of several kilovolts.

Известен СВЧ-прибор М-типа, содержащий анод и катод, выполненный из автоэлектронных эмиттеров в виде дисков, чередующихся с вторично-эмиссионными эмиттерами в виде полых тел, над поверхностью которых выступают упомянутые диски эмиттеров (ав.св. N 98715, Н 01 J 1/30 1975 г.). Основным недостатком такого прибора является то что он работает при очень высоком рабочем напряжении (более 5 киловольт). Изменение величины напряжения в сторону уменьшения вызывает срыв автоэлектронного тока за счет снижения напряженности поля у эмиттирующей поверхности автоэлектронного тела. Это вызвано тем, что расстояние между анодом и катодом порядка 0,6 0,8 мм. При таком расстоянии напряженность поля составляет 10⁵ В/см, что недостаточно для появления тока автоэлектронной эмиссии. Для магнетронов дециметрового диапазона, у которых расстояние между анодом и катодом составляет 2 мм, при рабочих напряжениях 4,2 кВ, напряженность поля составляет еще меньшую величину ( 4 10⁴ В/см).Known microwave device M-type, containing an anode and a cathode made of field emitters in the form of disks, alternating with secondary-emitter emitters in the form of hollow bodies, above the surface of which the said emitter disks protrude (a.s. N 98715, H 01 J 1/30 1975). The main disadvantage of such a device is that it operates at a very high operating voltage (more than 5 kilovolts). A change in the voltage value in the direction of decreasing causes a disruption of the field current due to a decrease in the field strength at the emitting surface of the field body. This is because the distance between the anode and cathode is about 0.6 0.8 mm. At this distance, the field strength is 10 ⁵ V / cm, which is not enough for the appearance of the field emission current. For decimeter-wave magnetrons, in which the distance between the anode and cathode is 2 mm, at operating voltages of 4.2 kV, the field strength is even lower (4 10 ⁴ V / cm).

Задачей изобретения является обеспечение работоспособности СВЧ-прибора при малых рабочих напряжениях (от киловольт до сотен вольт и ниже). The objective of the invention is to ensure the operability of a microwave device at low operating voltages (from kilovolts to hundreds of volts and below).

Это достигается тем, что в СВЧ-приборе, содержащем анод и коаксиально расположенный с зазором катод, состоящий из автоэлектронного и вторично-эмиссионного эмиттера полого типа, в последнем выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, против которого размещено тело автоэлектронного эмиттера, повторяющее форму отверстия, закрепленное на несущем электроде и изолированное от тела вторично-эмиссионного эмиттера. This is achieved by the fact that in a microwave device containing an anode and a cathode coaxially located with a gap, consisting of a hollow-type field-emission and secondary-emission emitter, at least one hole is made in the latter, against which the body of the field-emission emitter is placed, repeating the shape holes fixed to the carrier electrode and isolated from the body of the secondary emission emitter.

В такой конструкции катода, тело автоэлектронного эмиттера, которое закреплено на несущем электроде, можно приблизить к телу вторично-эмиссионного эмиттера на любое малое расстояние и даже вывести за внешнюю поверхность вторично-эмиссионного тела. Поэтому, даже при очень низких рабочих напряжениях на аноде и на вторично-эмиссионном эмиттере (в сотни вольт) при малых расстояниях можно создать необходимую напряженность поля на вершине автоэлектронного эмиттера, которая обеспечит автоэлектронную эмиссию, достаточную для запуска магнетрона. In this design of the cathode, the body of the field-emission emitter, which is mounted on the carrier electrode, can be brought closer to the body of the secondary-emitter emitter at any small distance and even brought out from the outer surface of the secondary-emission body. Therefore, even at very low operating voltages at the anode and at the secondary emission emitter (hundreds of volts) at small distances, it is possible to create the necessary field strength at the top of the field emitter, which will provide field emission sufficient to start the magnetron.

В предлагаемой конструкции прибора отверстия в теле вторично-эмиссионного эмиттера могут иметь произвольную форму в зависимости от конструктивных особенностей прибора выходить под любым углом к его оси, например, щели - продольные или поперечные относительно оси катода. В первом случае напряженность поля по всей длине тела автоэлектронного эмиттера одинакова, во втором случае напряженность поля на автоэлектронном эмиттере не одинакова по периметру. Это связано, например, с конструкцией анодного узла, который представляет собой набор пустотелых резонаторов открытого типа, у которых отдельные части находятся на различном расстоянии от поверхности катодного узла. In the proposed design of the device, the holes in the body of the secondary-emission emitter can have an arbitrary shape, depending on the design features of the device, exit at any angle to its axis, for example, slots - longitudinal or transverse with respect to the cathode axis. In the first case, the field strength along the entire body length of the field emitter is the same, in the second case, the field strength on the field emitter is not the same around the perimeter. This is due, for example, to the design of the anode assembly, which is a set of open-type hollow resonators in which individual parts are located at different distances from the surface of the cathode assembly.

В предлагаемой конструкции прибора тело автоэлектронного эмиттера может находиться в любом положении по отношению к телу вторично-эмиссионного эмиттера и даже выступать над поверхностью вторично-эмиссионного эмиттера на величину не более 10% межэлектродного зазора прибора. Расчеты показывают, что это предельно допустимое удаление вершины тела автоэлектронного эмиттера, при котором еще влияет потенциал вторично-эмиссионного эмиттера и все вылетевшие электроны с автоэлектронного эмиттера попадают на поверхность вторично-эмиссионного тела. Поверхность тела автоэлектронного эмиттера, может находиться на уровне внутренней поверхности тела вторично-эмиссионного эмиттера, в этом случае почти все автоэлектроны попадают на внутреннюю поверхность вторично-эмиссионного эмиттера, что не всегда экономично с точки зрения эффективности работы катодного узла, поскольку вторично-эмиссионный ток не участвует в работе прибора. In the proposed device design, the body of the electron emitter can be in any position relative to the body of the secondary emission emitter and even protrude above the surface of the secondary emission emitter by no more than 10% of the electrode gap. Calculations show that this is the maximum permissible removal of the tip of the body of an electron emitter, which still affects the potential of the secondary emission emitter and all the emitted electrons from the electron emitter fall on the surface of the secondary emission body. The body surface of the field-emission emitter may be at the level of the inner surface of the body of the secondary-emission emitter, in this case almost all field-emission electrons fall on the inner surface of the secondary-emission emitter, which is not always economical in terms of the efficiency of the cathode assembly, since the secondary-emission current does not participates in the operation of the device.

Наиболее эффективной работа автоэлектронного эмиттера будет, если уровень его поверхности находится на уровне внешней поверхности тела вторично-эмиссионного эмиттера. В этом случае вылетевшие автоэлектроны попадают на поверхность тела вторично-эмиссионного эмиттера и вызывают максимальную вторично-электронную эмиссию. The most effective operation of the field emitter will be if its surface level is at the level of the outer surface of the body of the secondary-emission emitter. In this case, the emitted auto-electrons fall on the surface of the body of the secondary-emission emitter and cause the maximum secondary-electronic emission.

В случае, если радиус тела автоэлектронного эмиттера больше, чем радиус тела вторично-эмиссионного эмиттера, тело вторично-эмиссионного эмиттера имеет сочленения, обеспечивающие заданный размер отверстий и жесткость конструкции катодного узла. Сочленения могут иметь различную конструкцию, однако непременным условием является их жесткость и прочность. If the radius of the body of the field-emission emitter is greater than the radius of the body of the secondary-emitter emitter, the body of the secondary-emitter emitter has joints providing a given hole size and structural rigidity of the cathode assembly. Joints can have a different design, however, their stiffness and strength are an indispensable condition.

В предлагаемой конструкции прибора для уменьшения работы выхода поверхности тела автоэлектронного эмиттера, а следовательно, и уменьшения рабочих напряжений внутренняя поверхность тела вторично-эмиссионного эмиттера может быть покрыта пленкой материала с малой работой выхода. В момент активировки вторично-эмиссионного эмиттера за счет бомбардировки его автоэлектронами происходит его нагрев с одновременным распылением пленки материала с малой работой выхода и адсорбции этого материала на поверхность тела автоэлектронного эмиттера, что вызывает снижение рабочего напряжения за счет уменьшения работы выхода автоэлектронного эмиттера. In the proposed device design, to reduce the work function of the surface of the body of an electron emitter and, consequently, to reduce operating stresses, the inner surface of the body of the secondary-emitter can be coated with a film of material with a small work function. At the moment of activation of the secondary-emission emitter due to its bombardment by auto-electrons, it is heated with simultaneous spraying of a film of material with a small work function and adsorption of this material on the surface of the body of the electron-emitter, which causes a decrease in operating voltage due to a decrease in the work function of the electron-emitter.

В предлагаемой конструкции прибора кроме основного тела автоэлектронного эмиттера могут быть дополнительные автоэлектронные эмиттеры, которые расположены на несущем электроде под указанной пленкой между основными телами автоэлектронных эмиттеров и имеют меньший радиус, чем основные. Дополнительные эмиттеры необходимы для обезгаживания и активировки тела вторично-эмиссионного эмиттера. Кроме того, в соответствии с изобретением, все основные и дополнительные тела автоэлектронных эмиттеров, могут быть выполнены из материала несущего электрода и составлять с ним единое целое. Подобная конструкция устойчива к механическим вибрациям, технологична, поддается автоматизированной сборке. In the proposed design of the device, in addition to the main body of the electron emitter, there can be additional electron emitters, which are located on the carrier electrode under the specified film between the main bodies of the electron emitters and have a smaller radius than the main ones. Additional emitters are necessary for degassing and activating the body of the secondary emission emitter. In addition, in accordance with the invention, all the main and additional bodies of field emitters can be made of the material of the carrier electrode and be integral with it. Such a design is resistant to mechanical vibrations, technologically advanced, amenable to automated assembly.

С целью дополнительного снижения рабочих напряжений и стабилизации тока автоэлектронной эмиссии в последнем варианте конструкции на тела автоэлектронных эмиттеров наносится пленка тугоплавкого материала. In order to further reduce the operating voltage and stabilize the field emission current in the latest design, a film of refractory material is applied to the bodies of field emitters.

При очень низких рабочих напряжениях, когда зазоры между телом вторично-электронного и тела автоэлектронного эмиттера очень малы, тело вторично-электронного эмиттера может быть изолировано от тела автоэлектронного эмиттера тугоплавким диэлектриком. В подобной конструкции исключена закоротка тел вторично-эмиссионного и автоэлектронного эмиттеров. At very low operating voltages, when the gaps between the body of the secondary electron and the body of the field emitter are very small, the body of the secondary electron emitter can be isolated from the body of the field emitter by a refractory dielectric. In such a design, the short circuit of the bodies of the secondary-emission and field-emitter emitters is excluded.

На фиг. 1 8 показаны различные варианты конструкции прибора в соответствии пунктам формулы изобретения. Предлагаемый СВЧ-прибор М-типа - магнетрон представляет собой трехэлектродную систему, в которой имеется анод 1, отделенный от катодного узла зазором 2. В качестве сетки служит тело 3 вторично-эмиссионного эмиттера с отверстиями 4 в виде поперечной щели и тело 5 автоэлектронного эмиттера в качестве катода, находящегося на несущем электроде 6. Тела вторично- и автоэлектронного эмиттеров изолированы друг от друга вакуумным зазором. Рабочая поверхность автоэлектронного эмиттера выставлена против отверстия 4 во вторично-электронном эмиттере. In FIG. 1 to 8 show various embodiments of a device in accordance with the claims. The proposed M-type microwave device — the magnetron — is a three-electrode system in which there is an anode 1 separated from the cathode assembly by a gap 2. The body 3 is a secondary emission emitter 3 with openings 4 in the form of a transverse slit and the body 5 of an electron-emitter in the quality of the cathode located on the supporting electrode 6. The bodies of the secondary and field emitters are isolated from each other by a vacuum gap. The working surface of the field emitter is exposed against the hole 4 in the secondary electronic emitter.

Материалом тела вторично-эмиссионного эмиттера может служить один из широко применяемых вторично-эмиссионных материалов, например, импрегнированные материалы, сплавы на основе платины и бария, а также окислы магния, бериллия и других материалов и диэлектрики. Автоэлектронные эмиттеры могут быть выполнены в виде пленок или фольги из тугоплавких материалов, например W, Ta, Nb, W-Si, Re-V. The body material of the secondary emission emitter can be one of the widely used secondary emission materials, for example, impregnated materials, alloys based on platinum and barium, as well as oxides of magnesium, beryllium, and other materials and dielectrics. Autoelectronic emitters can be made in the form of films or foils of refractory materials, for example W, Ta, Nb, W-Si, Re-V.

Работа прибора состоит в следующем. При подаче на анод 1 рабочего напряжения (например, 1- 2 кВ), вторично-эмиссионный эмиттер 3 при этом находится под потенциалом земли, а на тело 5 автоэлектронного эмиттера подается отрицательный потенциал 400 1 кВ, достаточный для появления первичного тока автоэлектронной эмиссии, который бомбардируя поверхность вторично-эмиссионного эмиттера, вызывает запуск магнетрона в рабочий режим. В случае, если анод находится под потенциалом земли, то тогда на сетку 3 подается отрицательный потенциал 1 2 кВ, а на тело автоэлектронного эмиттера подается также отрицательный потенциал 1400 3 кВ. В этом варианте магнетрон работает как и в первом случае. The operation of the device is as follows. When a working voltage is applied to the anode 1 (for example, 1–2 kV), the secondary emission emitter 3 is under ground potential, and a negative potential of 400 1 kV is applied to the body 5 of the field emitter, which is sufficient for the appearance of the primary field emission current, which bombarding the surface of the secondary emission emitter, causes the magnetron to start up in the operating mode. If the anode is under the ground potential, then a negative potential of 1 2 kV is applied to the grid 3, and a negative potential of 1400 3 kV is also supplied to the body of the field-emitter. In this embodiment, the magnetron works as in the first case.

Конструкция катодного узла прибора может быть различной, в частности с продольным автоэлектронным эмиттером в соответствии с продольным расположением отверстия 4 во вторично-эмиссионном теле 3 (фиг.2). The design of the cathode assembly of the device may be different, in particular with a longitudinal field-emitter in accordance with the longitudinal location of the hole 4 in the secondary-emission body 3 (figure 2).

Возможен вариант выполнения катодного узла, когда тело автоэлектронного эмиттера 5 выступает над поверхностью тела 3 вторично-эмиссионного эмиттера (фиг. 3). При этом тело вторично-эмиссионного эмиттера имеет сочленения 7, а тело автоэлектронного эмиттера имеет выемки 12, форма которых соответствует сочленениям вторично-эмиссионного тела. На внутренней поверхности автоэлектронного эмиттера может быть нанесена пленка 8 из материала с малой работой выхода, например, из бария (фиг.4), который понижает работу выхода поверхности автоэлектронного эмиттера с 4 эВ до 2,6 эВ, а следовательно, и рабочее напряжение более, чем на порядок. Под пленкой 8 на несущем электроде 6 расположены дополнительные тела автоэлектронных эмиттеров 9 (фиг.5). Во время активировки вторично-эмиссионного тела 3 на него подается нулевой потенциал, а на дополнительные автоэлектронные эмиттеры 9 подается отрицательное напряжение от 600 до 1000 В в течение времени активировки. Тела 5 и 9 автоэлектронных эмиттеров могут быть выполнены из материала несущего электрода, например, из молибдена (фиг.6). На фиг.7 представлено тело автоэлектронного эмиттера с нанесенной пленкой тугоплавкого материала 10, например, карбида вольфрама, либо силицида вольфрама. An embodiment of the cathode assembly is possible when the body of the field-emission emitter 5 protrudes above the surface of the body 3 of the secondary emission emitter (Fig. 3). In this case, the body of the secondary emission emitter has joints 7, and the body of the field-emission emitter has recesses 12, the shape of which corresponds to the joints of the secondary emission body. A film 8 of a material with a small work function, for example, of barium (Fig. 4), which reduces the work function of the surface of the electron emitter from 4 eV to 2.6 eV, and therefore the operating voltage of more than than an order of magnitude. Under the film 8 on the carrier electrode 6 are additional bodies of field emitters 9 (Fig.5). During activation of the secondary-emission body 3, a zero potential is applied to it, and a negative voltage from 600 to 1000 V is supplied to additional field emitters 9 during the activation time. The bodies 5 and 9 of the field emitters can be made of a material of the carrier electrode, for example, of molybdenum (Fig.6). 7 shows the body of an electron emitter with a film of refractory material 10, for example, tungsten carbide or tungsten silicide.

При зазоре менее 1 мм между телом вторично-эмиссионного и автоэлектронного эмиттеров их тела разделены пленкой 11 тугоплавкого диэлектрика, например, нитрида бора, окиси алюминия, нитрида титана и других, выдерживающих температуру обезгаживания и активации вторично-эмиссионного тела (фиг.8). With a gap of less than 1 mm between the body of the secondary-emission and field-emitting emitters, their bodies are separated by a film 11 of a refractory dielectric, for example, boron nitride, aluminum oxide, titanium nitride, and others that withstand the degassing and activation temperature of the secondary-emission body (Fig. 8).

Таким образом, минимальное рабочее напряжение, которое может быть обеспечено предлагаемой конструкцией прибора, составляет сотни вольт, что на порядок ниже, чем в известных конструкциях магнетронов. Thus, the minimum operating voltage that can be provided by the proposed device design is hundreds of volts, which is an order of magnitude lower than in the known magnetron designs.

Claims

1. An M-type microwave device containing an anode and a cathode coaxially located with a gap, consisting of field-emission and secondary-emission emitters in the form of hollow bodies, characterized in that at least one hole is made in the body of the secondary-emission emitter, against which the body of an electron emitter is emitted, repeating the shape of the hole, mounted on a carrier electrode and isolated from the body of the secondary emission emitter.

2. The microwave device according to claim 1, characterized in that the hole in the body of the secondary emission emitter is located in an arbitrary direction relative to the axis of the device.

3. The microwave device according to claim 1, characterized in that the radius of the body of the electron emitter is greater than the radius of the secondary emission emitter by an amount of not more than 10% of the electron gap of the device.

4. The microwave device according to claim 3, characterized in that when the radius of the body of the field emitter is greater than the radius of the body of the secondary emission emitter, the body of the secondary emission emitter has joints.

5. The microwave device according to claim 1, characterized in that on the inner surface of the body of the secondary-emitter emitter is applied a film of material with a small work function.

6. The microwave device according to claim 5, characterized in that under the said film additional emitters of a smaller radius are located on the carrier electrode than the body of the main field emitter.

7. The microwave device according to claim 6, characterized in that the bodies of field emitters are made of the material of the carrier electrode.

8. The microwave device according to claim 7, characterized in that a film of refractory material is deposited on the body of the field emitters.

9. The microwave device according to claim 1, characterized in that the body of the field emitter is isolated from the body of the secondary emission emitter by a refractory dielectric.