На правах рукописи
Поливникова Ольга Валентиновна
УДК.621.385.7
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ
МАГНЕТРОННЫХ КАТОДОВ НА ПРИНЦИПЕ ПЕРЕНОСА
АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА ИЗ НЕЗАВИСИМОГО ИСТОЧНИКА НА
ЭМИТИРУЮЩУЮ ПОВЕРХНОСТЬ ЧЕРЕЗ ВАКУУМ
Специальность 05.27.02 «Вакуумная и плазменная электроника»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Фрязино, 2006 г.
2
Работа выполнена на Федеральном Государственном Унитарном Предприятии «Научно-производственное предприятие «Исток»
Научный руководитель: доктор физико-математических наук профессор Дюбуа Борис Чеславович
Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Масленников Олег Юрьевич кандидат технических наук Каргин Александр Николаевич
Ведущая организация: ОАО «Плутон», г. Москва.
Защита состоится « 19 » декабря 2006 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 409.001.01 при ФГУП «НПП «Исток»
по адресу: 141120, г. Фрязино, Московской обл, ул. Вокзальная, 2а, ФГУП «НПП «Исток», Большой конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГУП «НПП «Исток».
Автореферат разослан « 15 » ноября 2006 г.
Ученый секретарь Э.В. Погорелова диссертационного совета кандидат физико-математических наук
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы.
Удачное сочетание электроники с колебательной системой позволило магнетрону стать одним из наиболее эффективных генераторов для применения в диапазоне сантиметровых волн, как в радиолокационных системах, так и в качестве источника СВЧ-энергии в промышленных, медицинских и бытовых устройствах [1-3].
Область применения магнетронов непрерывного генерирования постоянно расширяется, что обусловлено рядом их достоинств: высоким к.п.д., низким анодным напряжением, стабильностью работы в условиях рассогласованной нагрузки, компактностью, простотой изготовления и сравнительно низкой стоимостью.
Однако все эти достоинства магнетрона могут быть реализованы только при решении целого комплекса катодных проблем. Особенностью работы катода в магнетроне является то, что катод находится непосредственно в области взаимодействия электронных потоков и высокочастотных полей. Катод подвергается воздействию электронной бомбардировки, что приводит к изменению его эмиссионных свойств и к дополнительному разогреву. Изменения же эмиссионных характеристик катода влияют на стабильность работы магнетрона и могут привести к изменению ряда его параметров: частоты генерируемых колебаний, электронного к.п.д. и пр., не говоря уже о том, что долговечности [4].
В настоящее время источником электронов в магнетроне непрерывного генерирования традиционно остается прямонакальный спиральный катод из торированного вольфрама ( Рис.1 а). Хотя этот катод и обеспечивает основные параметры магнетрона, но при этом обладает и рядом серьезных недостатков.
Катод из торированного вольфрама малоэффективен: для обеспечения выходной мощности магнетрона 500-900 Вт требуется мощность накала 40-50 Вт, что снижает полный к.п.д. установки. Катод может обеспечить долговечность магнетрона не более 2000 часов – для промышленной и бытовой аппаратуры этого недостаточно. Торированный вольфрам после проведения процесса его карбидирования становится очень хрупким, что существенно снижает выход годных магнетронов, а также ограничивает использование ВЧ-печей в транспортных средствах.
Торированный вольфрам токсичен, что усложняет работу с ним, поскольку требует выполнения специальных санитарно-гигиенических мер при производстве катодов и магнетронов.
Однако среди известных конструкций катодных узлов в магнетронах непрерывного генерирования только спиральный прямонакальный катод из торированного вольфрама обеспечивает быстрое (2-3 сек) включение магнетрона без каких-либо дополнительных форсажных устройств.
Многочисленные попытки разработать проволоку по эмиссионным и механическим параметрам лучшего качества, чем торированный вольфрам, металлургическая проблема.
Поэтому поиск альтернативных конструкторско-технологических решений автоэлектронной эмиссии для быстрого включения магнетрона [5], пленочной технологии: нанесение эмиссионно-активных слоев посредством плакирования, намазки, насева, вакуумного и плазменного напыления [6-10], изготовление спирали из цельного штабика, пропитанного активным веществом, путем его механической обработки [11].
Однако необходимо учитывать, что пленочные методы имеют существенное ограничение: для увеличения долговечности катодов нужно увеличить запас активного вещества (толщину слоя), иными словами, общую массу катода, а, следовательно, ухудшить другой его параметр – время готовности.
заключающийся в том, что активное вещество поступает на эмиссионную поверхность из источника, отделенного от этой поверхности вакуумным промежутком. Устройство подобного рода получило название катода с вакуумным промежутком (КВП) (Рис1. б).
Другая возможность использовать идею переноса активного вещества через вакуум была реализована в конструкции квазипрямонакального катода (КПК). В этом случае эмиссионно-активная втулка размещается на центральной части спирали, а эмиссия с боковых ветвей спирали, которые активируются испарением активного вещества из втулки, обеспечивает быстрое включение магнетрона (в).
Основные варианты конструкций катодов представлены на Рис.1.
1-спираль из торированного вольфрама, 2-экраны из молибдена.
1-эмиссионная втулка, 2-спираль из вольфрама, 3-керн.
Рис.1.Схематическое изображение прямонакального катода-ПК (а), катода с вакуумным промежутком -КВП (б), квазипрямонакального катода –КПК (в).
При выборе эмиссионных материалов предпочтение было отдано материалам металлического типа, которые используются для формирования эмиссионного тела металлопористых и металлосплавных катодов, т.е. материалам, наиболее полно удовлетворяющим требованиям, предъявляемым к магнетронным катодам.
Разработка прямонакальных катодов (ПК) в настоящей работе выполнена с использованием технологии нанесения пленки сплава иридия с лантаном на тугоплавкую подложку. Разработка КВП и КПК выполнена с использованием эмиссионных материалов, содержащих в качестве активных металлов барий, лантан или торий, т.е. материалов с сильно отличающимися эмиссионными характеристиками, что позволило получить важные данные для решения актуальной до настоящего времени проблеме - взаимосвязи эмиссионных характеристик катода и параметров магнетрона.
Цель работы заключается в создании надежных, недорогих, технологически доступных в массовом производстве катодов для магнетронов непрерывного генерирования и удовлетворяющих основным техническим требованиям:
плотность отбираемого тока, время готовности, долговечность, устойчивость к механическим и циклическим тепловым нагрузкам.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
- исследовать процесс диффузионного насыщения компактного и губчатого иридия лантаном из его жидкой и газовой фаз; изучить температурно-временные режимы, определяющие максимальную глубину проникновения лантана в иридий, и определить фазовый состав образующегося сплава; на основе этих исследований разработать технологию спирального катода с эмиссионным покрытием Ir-La; изучить эмиссионные характеристики и долговечность этих катодов;
- разработать основные приемы конструирования, выбора материалов и технологий изготовления катодов, принцип действия которых основан на процессе переноса активных веществ на эмиссионную поверхность из источника, отделенного от этой поверхности вакуумным промежутком (КВП, КПК);
- исследовать эмиссионно-адсорбционные и тепловые характеристики КВП и КПК, в которых в качестве активных материалов содержится алюминат бариякальция, металлический лантан или торий; исследовать стабильность этих характеристик во времени при различных температурных режимах работы катодов;
- разработать технологию пайки материалов, входящих в конструкцию КВП и КПК, исследовать глубину и динамику взаимодействия припоя с этими материалами, и влияние материала припоя на эмиссионные характеристики, устойчивость конструкции к циклическим включениям и долговечность катодов;
- исследовать эмиссионные и тепловые характеристики катодов в магнетронах и связь этих характеристик с параметрами магнетрона (мощность, время готовности, к.п.д., долговечность).
Научная новизна.
1. Впервые исследовано взаимодействие расплавленного лантана с иридиевой губкой в диапазоне температур 1700-1800°С; показано, что при этих температурах глубина взаимодействия составляет 30-50мкм и основным ограничивающим фактором более глубокого проникновения лантана в глубь иридиевой губки является образование интерметаллического соединения Ir 2 La, которое препятствует взаимной диффузии иридия и лантана.
2. На основе разработанного процесса легирования торца иридиевой проволоки лантаном из его газовой фазы впервые создана структура эмиссионной поверхности металлосплавного микрокатода (в частности, автокатода), состоящая из двух фаз: центральная часть катода – фаза Ir, периферия – фаза Ir 2 La (толщина 5-6 мкм), при этом показано, что для эффективной работы катода при температуре 1500-1700К размер фазы Ir не должен быть более 100 мкм.
3. Предложен новый принцип работы распределительного катода, в котором эмиссионная поверхность отделена от источника активного металла вакуумным промежутком, что обеспечивает возможность независимо изменять температуру эмиссионной поверхности и источника, оптимизируя работу катодного узла.
4. Показано, что увеличение температуры распайки припоев Ru-B, Rh-B, Ir-B, Pt-B, Ni-B при пайке деталей из вольфрама и молибдена происходит вследствие изменения состава припоя: бор взаимодействует с вольфрамом и молибденом, образуя бориды этих металлов, а вольфрам и молибден, в свою очередь, растворяется в рутении, родии, иридии, платине или никеле.
5. Изучен механизм запуска и работы магнетрона с квазипрямонакальным катодом, в котором эмиссионно-активное вещество содержит барий, лантан или торий. Найдена количественная связь между термо- и вторично-эмиссионными характеристиками катода и его рабочей температурой в приборе.
Практическая значимость.
Разработана технология многослойного слоисто-структурированного Ir-La катода, позволившая увеличить долговечность катода в магнетроне в 2-3 раза.
Разработана технология острийного автотермоэлектронного Ir-La катода, который обеспечивает отбор тока 20-30 мА в постоянном и 300-400 мА в импульсном режиме. Использование этого катода совместно с основным спиральным катодом из торированного вольфрама позволило уменьшить мощность накала катода в магнетроне в 2-2,5 раза.
Разработаны конструкции и технологии изготовления катода с вакуумным промежутком и квазипрямонакального катода, эмиссионное тело которых представляет собой вольфрамовую губку, пропитанную алюминатом бариякальция, лантаном или торием. Испытания разработанных катодов в промышленных магнетронах (мощность 800 Вт, частота 2460 МГц) показали, что они обеспечивают требуемые электрические параметры и механическую прочность в течение не менее 6000 часов.
Разработана технология пропитанных ториевых катодов, которая обеспечивает их пониженную радиоактивность после финишной операции пропитки в течение не менее одного месяца, что позволяет откорректировать санитарно-гигиенические меры безопасной работы с этими катодами.
Разработаны составы припоев и технология низкотемпературной пайки в вакууме и в водороде (t пайки =1250-1300°С) элементов катодного узла, обеспечивающая прочность узла и стабильность структуры, эмиссионных и других физико-химических свойств паяных элементов при постоянном и циклическом нагреве.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Увеличение запаса активного вещества в слоистых металлосплавных Ir-La катодах достигается путем последовательного увеличения количества слоев губки иридия, пропитываемой лантаном; при этом для полного взаимодействия иридия с лантаном с образованием соединения Ir 2 La толщина каждого слоя иридия должна быть в пределах 30-50 мкм.
2. Для создания полевых острийных катодов из двухфазных сплавов, например, иридия с лантаном, необходимо фазы этого сплава расположить компактно так, чтобы фаза, представляющая собой чистый металл (иридий) являлась керном острия, а фаза, содержащая активный металл (Ir 2 La), располагалась по периферии этого керна и являлась источником лантана, активирующего острие. Такая структура острия создается путем выдержки иридиевой проволоки в парах лантана с последующим ее электрохимическим травлением, обеспечивающим создание острия с малым радиусом кривизны (0,3-0,4 мкм).
3. Создание катодов с вакуумным промежутком основывается на пространственном разделении источника эмиссионно-активного вещества и эмиттера, что в магнетронных катодах реализуется путем размещения втулки с активным веществом внутри спирального эмиттера; при этом рабочие температуры источника и спирали выбираются так, чтобы поток активного вещества обеспечил требуемую величину тока эмиссии спирали.
4. Применение сплавов никеля и платиновых металлов с бором для пайки элементов катодного узла при температуре, меньшей, чем максимальная рабочая температура катода в приборе, обеспечивается:
выбором режима пайки, в процессе которой в основе припоя растворяется тугоплавкий паяемый материал, например, W, Mo, а бор уходит из припоя, образуя бориды тугоплавких металлов;
выбором оптимальной ширины паяемого зазора, обеспечивающей при пайке полное насыщение тугоплавким материалом объема припоя и необходимое согласование коэффициентов теплового расширения 5. Эффективная работа квазипрямонакального магнетронного катода основывается на том, что спираль, на которой крепится эмиссионная втулка, выполняет функцию нагревателя, а также, находясь в потоке активного вещества, испаряющегося из эмиссионной втулки, является источником стартовой термоэлектронной эмиссии, обеспечивающей быстрый запуск магнетрона в работу.
Достоверность научных результатов и обоснованность научных положений подтверждается достаточно хорошим совпадением данных, полученных на основе экспериментальных исследований и путем численных расчетов, получением воспроизводимых результатов при использовании различной аппаратуры и методов исследования, опытом разработки и применения созданных катодов в приборах Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ХХII Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Москва, 1994 г.); на International Vacuum Electron Sources Conference (IVESC96, Eindhoven the Netherlands); на Всероссийском симпозиуме по эмиссионной электронике (Рязань, 1996 г.); IVESC98 (Tsukba, Japan, 1998); II International Conference on Microwave and Millimeter wave Technology, Beijing, China, 2000; IVESC00 (Orlando, Florida, 2000); IVESC02 (Саратов, 2002 г.), IVESC 2004 (Beijing, China).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в отечественные разработки катодных узлов для магнетронов, используемых в бытовых, промышленных и медицинских установках и катодных узлов для мощных усилительных клистронов (9 наименований приборов), а также при выполнении зарубежных контрактов с США, КНР, Кореей, Индией ( контрактов на общую сумму около 300 тыс.$).
Публикации. Основные материалы диссертационной работы отражены в печатных работах, результаты защищены 2 авторскими свидетельствами и Патентами РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из шести разделов и списка литературы, изложенных на 138 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 56 рисунков и приложение на 5 страницах.
Первый раздел является введением, в котором обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель и определено общее направление исследований.
Второй раздел посвящен анализу литературных и патентных источников информации о развитии и решении комплекса проблем, связанных с катодом для магнетронов. Приведены основные характеристики и принципы конструирования зарубежных и отечественных катодов для магнетронных приборов, отмечены их недостатки. Показано, что перспективным направлением является дальнейшее совершенствование существующих катодов с целью повышения их эффективности, расширения области применения путем исследования и разработки новых эмиссионных материалов, конструкций катодных узлов и технологии их производства. Дано краткое содержание работы и сформулированы задачи, которые необходимо решить для достижения основной цели диссертации.
Третий раздел посвящен прямонакальным катодам (ПК). В этом разделе описана и известная конструкция спирального прямонакального катода из торированного вольфрама и, как альтернатива ему, предложен спиральный катод с покрытием из эмиссионно-активного материала Ir-La, которое представляет собой иридиевую губку, пропитанную лантаном. Показано, что с увеличением толщины губки максимальное относительное количество лантана, которое удается ввести в губку, уменьшается; а наибольшее количество лантана можно внести при толщинах губки меньше 30мкм (Рис.2 ).
Рис.2. Зависимость привеса образцов катодов от количества наносимого лантана на губку иридия различной толщины после их отжига в вакууме при Это объясняется тем, что расплавленный лантан проникает в губку не более чем на 30мкм, а образуемое при этом интерметаллическое соединение Ir 2 La, блокирует диффузию лантана и иридия сквозь это соединение, а также закрывает поры в губке и тем самым предотвращает дальнейшее проникновение лантана в глубь губки.
С учетом полученных результатов исследований для увеличения запаса активного материала в катоде предложен технологический процесс, в котором слои иридия и лантана наносились последовательно несколько раз с промежуточными отжигами. Таким катодам было дано название слоистоструктурированных (ССК). Эмиссионное покрытие этих катодов общей толщиной 150-200мкм может содержать максимально возможное количество лантана (до 27%) (Рис.3), а долговечность таких катодов в 2-3 раза превышает долговечность однослойных.
Рис.3. Зависимость привеса образцов катодов от количества наносимого лантана на губку иридия. В точках 1 и 2 повторена операция нанесения иридия.
В этом же разделе описан, предложенный автором, новый способ создания слоев сплава Ir-La, основанный на насыщении поверхности иридия лантаном из его газовой фазы, который позволил свести к минимуму окисление активной компоненты сплава – лантана во время его нанесения и добиться более равномерной толщины слоя.
Разработанный способ позволил также по-новому подойти к решению проблемы создания автотермоэлектронного катода (АТЭК) в виде очень тонкой фольги или острия и использовании его для уменьшения времени запуска магнетронов.
Поскольку применение эмиссионно-активных двухфазных сплавов для изготовления АТЭК традиционными методами невозможно, предложен иной подход, основанный на использовании явления активирования острия за счет миграции активного металла с прилегающих к острию областей. Применение в этом случае технологии выдержки иридиевой проволоки в парах лантана с последующим электрохимическим травлением ее конца обеспечивает такое расположение фаз сплава, которое дает возможность создания острия с малым радиусом кривизны (0,3-0,4мкм) и реализацию распределительного принципа работы металлосплавного катода. Внешне катод напоминает карандаш (Рис.4), в котором роль грифеля выполняет иридий, а наружной оболочки – интерметаллид Ir 2 La. В этом случае моноатомная пленка лантана на поверхности иридиевого острия создается путем миграции лантана, источником которого является интерметаллическое соединение Ir 2 La, расположенное, как «воротник» вокруг острия.
Рис.4. Принципиальная схема острийного автотермоэлектронного катода, полученного путем насыщения поверхности иридиевой проволоки лантаном из Зависимость автоэлектронной эмиссии от температуры представлена на Рис. Исследования проводились в вакууме 10-5Па, поэтому имело место несовпадение токов автоэлектронной эмиссии, измеренных при повышении и снижении температуры острия, что, скорее всего, связано с изменением количества адсорбированных остаточных газов на поверхности острия при изменении его температуры. Тем не менее, характер и величина изменений автоэлектронной эмиссии в изученной области температур следует теоретическим предсказаниям:
на Рис.5 сплошная кривая – результаты расчетов температурной зависимости Рис.5. Зависимость плотности тока автотермоэлектронной эмиссии Ir-La острия от температуры:
- при повышении температуры, - при ее снижении.
Радиус кривизны острия-0,3 мкм, поле-2х107 В/см. Сплошная кривая-результат теоретического расчета по формуле (1) при =2,7 эВ.
автоэлектронной (а в данном случае следует говорить об автотермоэлектронной) эмиссии по формуле [12,13]:
Данные по эмиссионным параметрам и долговечности для прямонакальных катодов с Ir-La покрытием приведены в Таблице 1.
«