авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Металлосплавные катоды для магнетронов миллиметрового диапазона с торцевой пушкой

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Мясников Александр Сергеевич

Металлосплавные катоды для магнетронов

миллиметрового диапазона с торцевой пушкой

Специальность 05.27.02 – Вакуумная и плазменная электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Зоркин Александр Яковлевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Царев Владислав Алексеевич кандидат технических наук Муллин Виктор Валентинович
Ведущая организация: ЗАО «Экспо ПУЛ», г. Саратов

Защита состоится «26» декабря 2011 г. в 15 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 1/414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан «_____» ноября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.». http://www.sstu.ru
«____» ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Димитрюк А.А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Приборы миллиметрового диапазона длин волн находят все большее применение в радиоаппаратуре. В настоящее время активно ведутся работы по созданию магнетронов миллиметрового диапазона длин волн как в России, так и за рубежом. Проблемам катодной тематики приборов М-типа были посвящены работы Б.Ч. Дюбуа, В.Д. Котова, Н.П. Есаулова, В.П. Марина, И.П. Ли и др. Так как для нормальной работы магнетрона миллиметрового диапазона необходимо обеспечить плотность тока эмиссии с катода в импульсе более 100 А/см2, применяемые ранее горячие катоды приходилось выводить в режим перекала для получения необходимой плотности тока, что значительно снижало долговечность прибора. С середины 90-х годов прошлого столетия в магнетронах миллиметрового диапазона широкое применение нашел холодный вторичноэмиссионный катод из чистой платины. Такой катод способен обеспечить необходимую плотность тока эмиссии при достаточно низких температурах за счет высокого коэффициента вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ), что позволяет значительно повысить долговечность прибора.

Необходимо отметить, что в настоящее время разработаны вторично-эмиссионные сплавы с более высоким значением КВЭЭ (чистая платина =1,7; сплав палладий-барий (ПдБ 2) =2,7; сплав платина-барий (ПлБ 2) =3,0). Эти сплавы нашли широкое применение в приборах магнетронного типа сантиметрового диапазона, а также длинноволновой части миллиметрового диапазона длин волн.

Однако, несмотря на явные преимущества металлосплавных катодов в части повышения долговечности магнетрона, вплоть до настоящего времени единственным в мире магнетроном 2-миллиметрового диапазона с иридий-лантановым горячим катодом промышленного образца с выходной импульсной мощностью 4 кВт, является разработка ОАО «Плутон». Основным недостатком данного магнетрона является малая долговечность (500 часов).

Основной проблемой применения катодов на основе сплавов ПдБ 2 и ПлБ 2 (металлосплавные катоды) в магнетронах, работающих в коротковолновой части миллиметрового диапазона, является отсутствие технологических процессов и конструкций, позволяющих изготавливать металлосплавные катоды диаметром мене 3 мм.

Известные в настоящее время способы изготовления металлосплавных катодов основаны на получении неразъемного соединения эмиссионного материала с материалом керна в твердой фазе за счет максимального сближения соединяемых поверхностей. Наиболее широко применяемые для изготовления металлосплавных катодов технологические процессы сварки в твердом состоянии: диффузионная сварка, контактная шовная многорядная сварка, магнитно-импульсная сварка (разработке и исследованию данных технологических процессов изготовления металлосплавных катодов посвящены работы Есаулова Н.П., Конюшкова Г.В., Зоркина А.Я. и др.), обеспечивают сближение и соединение двух свариваемых поверхностей за счет приложения давления и нагрева, достаточных для появления пластических деформаций в зоне соединения.

Решением задачи повышения долговечности магнетрона миллиметрового диапазона до 1000 часов может стать применение металлосплавного катода на основе сплавов ПдБ 2 или ПлБ 2. Снижение усилия, прилагаемого для формирования контакта между свариваемыми поверхностями при изготовлении металлосплавного катода, может быть достигнуто за счет появления жидкой фазы в зоне соединения, что позволит обеспечить необходимый тепловой и электрический контакт эмиттера с керном катода.

Обеспечение надежного теплового и электрического контакта по всей поверхности соединения, препятствующего перегреву катода и его разрушению под воздействием средней мощности обратной электронной бомбардировки, недостаточно для повышения долговечности катодного узла. При работе магнетрона в импульсном режиме необходимо также повысить стойкость катода к импульсным нагрузкам.

Современные тенденции в развитии СВЧ приборостроения в направлении уменьшения длин волн до 2 мм и менее требуют разработки новых технологических принципов и процессов изготовления малогабаритных металлосплавных платино-бариевых и палладий-бариевых катодов.

В силу явной недостаточности теоретических и экспериментальных исследований особенностей формирования сварного соединения эмиссионного материала с керном при малых габаритах катодного узла за счет появления жидкой фазы, а также физико-химических процессов, проходящих в эмиссионном сплаве при высоких температурах, была сформулирована цель данной работы.

Цель работы: разработка новых технологических принципов и процессов изготовления металлосплавных катодов повышенной эрозионной стойкости и формоустойчивости для магнетронов миллиметрового диапазона высокой мощности и исследование физических процессов при их изготовлении и эксплуатации.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

  • разработать базовую конструкцию металлосплавного вторичноэмиссионного катода для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн;
  • разработать технологический процесс и оснастку для изготовления вторично-эмиссионного катода для магнетронов миллиметрового диапазона длин волн способом диффузионной сварки в зоне соединения;
  • определить влияние режимов технологических процессов изготовления и конструкций металлосплавных вторично-эмиссионных катодов на их эмиссионные свойства, эрозионную стойкость и формоустойчивость;
  • изготовить и испытать макетные образцы магнетронов с металлосплавными катодами;
  • провести испытания опытного образца магнетрона 2 мм диапазона на долговечность.

Методы и средства исследований. При выполнении данной работы использованы научные основы эмиссионной и СВЧ электроники, основы теории соединения материалов в твердом состоянии. Использованы современные методы экспериментальных исследований и средства компьютерного моделирования.

Достоверность результатов, полученных при проведении теоретических и экспериментальных исследований, подтверждается результатами испытаний разработанных катодных узлов в макетных образцах магнетронов.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

  1. Разработанный технологический процесс соединения эмиссионных сплавов платина-барий и палладий-барий с молибденовым керном диаметром 1,5-2,5 мм за счет применения термических систем давления в вакууме 10-2-10-3 Па обеспечивает тепловой и электрический контакт, позволяющий отвести удельную мощность обратной электронной бомбардировки катода до 100 Вт/см2.
  2. Разработанная конструкция металлосплавного катода, получаемая путем одновременного соединения в термической системе давления пластин из сплава палладий-барий и МР-47 при температуре 1500 К обладает повышенной в 4-5 раз по сравнению с типовой конструкцией эрозионной стойкостью к электронной бомбардировке.
  3. Соединение палладий-бариевой фольги с керном катода при температуре 1520±20 К осуществляется за счет появления жидкой фазы, обеспечивающей при затвердевании тепловой и электрический контакт эмиттера с керном с изменением структуры сплава палладий-барий, приводящим к появлению открытых «каналов» и улучшению доставки по ним на поверхность эмиттера в работающем приборе бария, что позволяет снизить рабочую температуру катода на 80-140 К без ухудшения его эмиссионных свойств.
  4. Разработанные технологические принципы и технологические процессы, а также конструкция металлосплавного катода, опробованные на опытном образце магнетрона 2-миллиметрового диапазона, позволяют создавать приборы М-типа в коротковолновой части миллиметрового диапазона с долговечностью до 1000 часов и выходной импульсной мощностью до 5 кВт.

Научная новизна работы:

  • Впервые предложен технологический принцип изготовления палладий-бариевых катодов диффузионной сваркой при температуре 1500-1540 К за счет появления жидкой фазы в зоне соединения эмиттера с керном.
  • Экспериментально показано, что разработанный технологический процесс диффузионной сварки палладий-бариевых катодов с термическими системами давления через промежуточные прослои из сплава МР-47 при температуре 1500-1540 К обеспечивает необходимое качество соединения катодного узла (механическую прочность, формоустойчивость, теплопроводность, электропроводность, эмиссионные свойства, стойкость к электронной и ионной эрозии) при изготовлении катодов диаметром 1,5-2,5 мм.
  • Разработаны технология и оснастка для изготовления металлосплавных катодов диаметром менее 3 мм, обеспечивающие отвод подводимой мощности к катоду до 100 Вт/см2.
  • Разработана базовая конструкция металлосплавного катода, обладающая повышенной эрозионной стойкостью к мощной импульсной электронной бомбардировке.

Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработаны конструкции и технологические процессы изготовления малогабаритных вторично-эмиссионных катодов. Предложены конструкции вторично-эмиссионных катодов, способные работать при уровне средней мощности обратной электронной бомбардировки до 100 Вт/см2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в ОКР по разработке магнетрона 2-миллиметрового диапазона, а также могут быть использованы при разработке и изготовлении мощных магнетронов миллиметрового диапазона длин волн.

Материалы исследований внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроника и наноэлектроника».

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: научно-практической конференции «Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы» (Саратов, 2009), на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2008, 2009, 2010), на VII Международной Российско-Казахстанско-Японской научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (Волгоград, 2009), на Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (Саратов, 2009), на научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Москва, 2009, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ (2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 10 статей в научных сборниках).

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации результатов экспериментальных исследований. Представленные экспериментальные исследования проводились автором. Обсуждения полученных теоретических и экспериментальных данных проводились вместе с соавторами статей. Автором лично разработан конструкция и технология изготовления катодного узла диаметром эмиттера 2 мм для магнетрона миллиметрового диапазона.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, изложена на 114 листах, содержит 76 рисунков, 2 таблицы, список использованных источников из 137 работ.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, приведены научные положения, изложена научная новизна. Сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе содержится аналитический обзор существующих конструкций катодных узлов СВЧ приборов М-типа. Особое внимание уделяется вторично-эмиссионным катодам.

Наибольший интерес при изготовлении вторично-эмиссионных катодов для магнетронов миллиметрового диапазона представляют сплавы платина-барий и палладий-барий, обладающие наибольшим коэффициентом вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ). Технология получения таких материалов заключается в плавке исходных компонентов в защитной среде с последующей многократной прокаткой до получения равномерного распределения бария по объему сплава. Сплавы палладий-барий и платина-барий не поддаются ковке и протяжке и выпускаются исключительно в виде полосы толщиной 0,1-0,2 мм.

Результаты проведенного анализа конструктивных особенностей и способов изготовления металлосплавных катодов, изложенные в главе, показали: все существующие современные технологии изготовления металлосплавных катодов диаметром менее 3 мм не обеспечивают требования, предъявляемые к катодам магнетронов миллиметрового диапазона (рис. 1).

Рис. 1. Шлифы катодов диаметром 2 мм, сваренные шовной контактной
многорядной сваркой

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям физико-химических процессов, протекающих при изготовлении и работе магнетронов миллиметрового диапазона, а также влияние этих процессов на эмиссионные свойства катодов.

Теоретически показано, что для полного удаления антиэмиссионных углеродных пленок с поверхности эмиттера обработку металлосплавных катодов при откачке магнетронов необходимо проводить при температуре более 1300 К. При температуре порядка 1400оС за 15-20 минут термообработки суммарное давление углеродосодержащих газов снижается более чем на порядок. При дальнейшей выдержке давление углеродосодержащих газов снижается незначительно.

Рис. 2. Зависимость результирующего потока СО и СО2 от температуры катода

В результате проведенных исследований было показано, что увеличение площади границ между зернами сплава на порядок при изменении его структуры позволяет снизить рабочую температуру катода на 80-140оС.

Рис. 3. Соотношение между рабочими температурами катодов
с различными структурами сплава палладий-барий

Проведенные расчеты показали, что стойкость металлосплавного катода к разрушающему воздействию импульсного электронного потока в магнетроне миллиметрового диапазона можно повысить в 4-5 раз за счет снижения его рабочей температуры на 100оК.

Рис. 4. Зависимость предельной характеристики импульса от числа импульсов
при рабочей температуре катода 700 и 800 оК с учетом безопасной амплитуды
импульсной температуры

Третья глава посвящена технологическим процессам изготовления металлосплавных катодов.

Для проверки результатов теоретических исследований было проведено исследование влияния термической обработки в вакууме на вторично-эмиссионные свойства сплава на установке с полностью безмасляными средствами откачки. На рис. 5 приведена экспериментальная зависимость коэффициента вторичной эмиссии от температуры катода.

Рис. 5. Зависимость от температуры прогрева
для сплава платина-барий

Экспериментально показано, что наличие углеродосодержащих загрязнений на поверхности катода значительно снижает эмиссионные свойства металлосплавных катодов. В результате проведенных экспериментов была определена необходимая температура отработки катода (1400оК) для полного удаления углерода с поверхности эмиттера. Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами теоретических исследований.

В главе также представлены результаты исследований динамики изменения структуры сплава палладий-барий при высоких температурах (рис. 6).

На левом шлифе (рис. 6) показан сплав палладий-барий в состоянии поставки. При температуре, близкой к 1500К, отдельные крупные барийсодежащие включения начинают объединяться (фотография в центре) и при дальнейшем росте температуры включения начинают локализоваться по границам зерен. Таким образом, можно сделать предположение, что основная масса активного вещества сосредоточивается по границам зерен. Такая перестройка структуры сплава палладий-барий приводит к значительному увеличению площади границ между зернами.

Рис. 6. Динамика изменения структуры сплава палладий-барий
при нагреве до температуры 1500 К

Таким образом, была выявлена возможность повышения скорости диффузия бария в палладий-бариевом катоде и снижения его рабочей температуры.

Отработка режимов диффузионной сварки вторично-эмиссионного сплава проводилась в специально разработанной оснастке – системе термического давления (рис. 7).

 Оснастка для диффузионной сварки: 1-10

Рис. 7. Оснастка для диффузионной сварки:

1 – корпус; 2 – клинья; 3 – стержень; 4 – втулка;
5 – фольга эмиссионного сплава; 6 – керн катода

Для палладий-бариевого сплава был разработан технологический процесс диффузионной сварки в водороде с точкой росы -10…-20оС при температуре сварки 1520±20 К, время изотермической выдержки 60 с, скорость подъема температуры 600 К/мин.

Для анализа качества полученных соединений были изготовлены шлифы экспериментальных образцов (рис. 8).

Рис. 8. Фотографии шлифов сваренных образцов



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.