Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
БУЛДАКОВ Евгений Ильич
РАЗРАБОТКА магнетронА миллиметрового диапазона
с улучшенными эксплуатационными характеристиками
Специальность: 05.27.02 - Вакуумная и плазменная электроника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.
иав Открытом акционерном обществе Тантал
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент
Захаров Александр Александрович
Официальные оппоненты: Зоркин Александр Яковлевич,
доктор технических наук, профессор,
Саратовский государственный технический
университет имени Гагарина Ю.А., профессор
кафедры Электронное машиностроение и сварка
Семенов Владимир Константинович,
кандидат технических наук,
лауреат Государственной премии,
ОАО НПП Контакт, г. Саратов,
заместитель главного инженера по научной работе
Ведущая организация: Национальный исследовательский
Саратовский государственный университет
им. Н.Г. Чернышевского
Защита состоится 4 июля 2012 г. в 13.00 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, СГТУ, корп. 1, ауд. 319.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Автореферат разослан л24 мая 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Димитрюк А.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. Современная техника СВЧ характеризуется большим разнообразием типов генераторов. Среди электровакуумных приборов заметное место занимает магнетрон - один из старейших типов генераторов, обязанный своим долголетием постоянному совершенствованию конструкции и технологии изготовления, достижению все более высоких параметров.
Обширной областью СВЧ-техники, где использунются преимущественно магнетроны, являются компактные радиолокационные станции (РЛС) различнного назначения. Принципиальные преимущества и достоинства использования магнетронов миллиметрового диапазона длин волн при создании нового поколения радиолокационных станций обусловлены, в первую очередь, возможностями получения при ограниченной апертуре антенны высокой разрешающей способности по различению объектов и целей в обзорной зоне благодаря более выгодному, чем у других приборов, отношению мощности выходного сигнала к массе прибора. Создание мощных приборов миллиметрового диапазона обеспечивает эффективное наблюдение на дальностях до 5-10 км.
Исследованию миллиметровых магнетронов и улучшению их эксплуатационных характеристик и выходных параметров посвящены работы известных отечественных и зарубежных ученых: М.А. Фурсаева, В.А. Адамовича, В.П. Еремина, А.Я. Усикова, А.А. Гурко, В.Б. Байбурина, В.Д. Науменко, В.Д. Еремки, M.J. Bernstein, N.M. Kroll, Р.Г. Робертшоу, В. Е. Уилшоу и др.
Вопросы дальнейшего увеличения надежности, КПД, улучшения массогабаритных параметров, повышения эксплуатационной эффективности, в том числе экономической (снижение затрат на час эксплуатации) недостаточно изучены. Невозможность строгого аналитического решения основных уравнений приводит к необходимости использования численных методов решения и проведения исследований физических эффектов методами компьютерных и физических экспериментов.
Исходя из вышеизложенного, проблема создания мощных импульсных миллиметровых магнетронов КВЧ с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками, предназначенных для работы в современных передатчиках РЛС, является актуальной в настоящее время.
Цель работы: разработка магнетрона миллиметрового диапазона, предназначенного для работы в передатчиках современных радиолокационных станций, с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Поиск путей увеличения КПД магнетрона 2-миллиметрового диапазона.
2. Увеличение долговечности магнетрона до 2000 часов.
3. Снижение температуры электродов для повышения их надежности.
4. Уменьшение массогабаритных характеристик магнетрона.
5. Повышение воспроизводимости параметров магнетронов в условиях производства.
6. Разработка экспериментальных образцов магнетронов на основе полученных результатов расчетов и исследований.
Методы и средства исследований. При выполнении данной работы использованы основы теории вакуумной СВЧ-электроники, современные методы теоретического и экспериментального исследований и средства компьютерного моделирования. Решения задач оптимизации в условиях малой изученности теории миллиметровых магнетронов поверхностной волны, работающих в режиме синхронизации электронного потока с пространственными гармониками, базируются на экспериментальных данных и известных положениях теории приборов М-типа.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью применяемых математических моделей, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов взаимодействия электронов с СВЧ- полем; хорошим совпадением полученных теоретических результатов с данными эксперимента, а также c результатами измерений созданных магнетронов на поверенной и аттестованной аппаратуре и совпадением сарезультатами, полученными другими авторами в области разработки магнетронов миллиметрового диапазона, опубликованными как в России, так и за рубежом.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
Разработана конструкция магнетрона 2-миллиметрового диапазона длин волн, предназначенного для работы в передатчиках современных радиолокационных станций, с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками. При этом установлено:
- нанесенное на медные ламели вольфрамовое покрытие толщиной 20 мкм повышает надежность резонаторной системы и увеличивает долговечность мощных импульсных магнетронов до 1000 и более часов;
- оптимально подобранные значения толщины (ширины) ламели tл,
шага резонаторной системы L позволяют повысить КПД магнетрона
2-миллиметрового диапазона с 2,2 до 2,8-3,5%;
- корректировка геометрии резонаторной системы методом сближения резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний приводит к повышению КПД, повторяемости выходных характеристик и устойчивости работы многорезонаторного магнетрона;
- разделение запускающего термокатода и вторично-эмиссионного катода не только функционально, но и конструктивно, на основной холодный и боковой вспомогательный термокатод в магнетроне 2-миллиметрового диапазона длин волн со средней выходной мощностью 3-5 Вт позволяет снизить тепловые нагрузки на основной катод и тем самым повысить надежность и долговечность устройства.
Научная новизна работы:
1. Установлена зависимость времени разрушения анодной структуры магнетрона 2-миллиметрового диапазона в зависимости от длительности импульса и скважности, позволившая разработать методику ускоренных испытаний таких магнетронов на безотказность.
2. Разработана электронно-оптическая система 2-миллиметрового магнетрона, обеспечивающая более высокую надежность по сравнению с аналогами и долговечность порядка 1000-2000 ч.
3. На основе метода совмещения резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний многорезонаторного магнетрона, сущность которого заключается в изменении геометрии выходного резонатора или изменении геометрии других резонаторов, определенных специальным образом, проведена оптимизация резонаторной системы, которая привела к повышению повторяемости выходных характеристик на 20-30% и устойчивости работы многорезонаторного магнетрона.
4. Впервые предложена адаптированная к серийному производству конструкция 2-миллиметрового магнетрона со средней выходной мощностью 3-5 Вт для передатчиков современных РЛС с металлосплавным вторично-эмиссионным катодом и боковым термокатодом, обеспечивающая долговечность более 1000 часов, с улучшенными массогабаритными характеристиками.
Практическая значимость. На основании проведенных исследований и компьютерного моделирования разработана ЭОС магнетрона, обеспечивающая высокий уровень КПД. Апробирована технология нанесения тугоплавкого материала на теплонагруженные элементы конструкции для их защиты от эрозионного разрушения, не оказывающая значимого влияния на электродинамические характеристики резонаторной системы, позволившая повысить долговечность магнетрона. Увеличение КПД позволило снизить подводимую мощность и уменьшить массогабаритные характеристики источника питания. Использование средств компьютерного моделирования и разработанных конструктивно-технологических решений позволило улучшить массогабаритные характеристики магнетрона.
Результаты исследований и экспериментов использованы при разработке 2-миллиметровых магнетронов и позволили создать опытный образец магнетрона, отвечающего всем современным требованиям, предъявляемым к приборам подобного типа и класса, с характеристиками, превосходящими аналоги. Изложенный научный материал также может быть использован в учебном процессе вузов, ведущих подготовку специалистов по специальности 21010565 Электронные приборы и устройства, а также по направлениям Электроника и микроэлектроника и Электроника и наноэлектроника (21010062 и 21010068).
Апробация работы. Работа выполнена на кафедре Электронные приборы и устройства Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. иав ОАО Тантал. Результаты диссертационной работы докладывались на: научно-технической конференции Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы (Саратов, 2009), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых Инновации и актуальные проблемы техники и технологий (Саратов, 2009, 2010), Всероссийской молодежной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (Саратов, 2009), 9-й Международной научно-технической конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения (Саратов, 2010), XVII координационном научно-техническом семинаре по СВЧ технике (Нижний Новгород, 2011), VII Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2012).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в 11 печатных работах (статьях, текстах докладов), в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
ичный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследований, проведении численных расчетов, необходимых для интерпретации результатов экспериментальных исследований. Представленные экспериментальные исследования проведены автором. Обсуждения полученных теоретических и экспериментальных результатов проводились совместно с соавторами научных статей. Автору диссертации принадлежит разработка основных направлений конструирования и технологии изготовления экспериментальных макетов и опытно-конструкторских образцов магнетронов. Расчеты и компьютерное моделирование проводились совместно с научным руководителем, а также с В.П. Ереминым и А.В. Ершовым.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения, изложена на 156 страницах, содержит 56 рисунков, 19 таблиц, список использованной литературы включает 169 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы и решаемых проблем, изложена научная новизна. Сформулированы цель и задачи исследований, отражена практическая значимость полученных результатов, представлена апробация работы и приведены основные научные положения.
Первая глава посвящена обзору и анализу литературы по тематике исследований. Уровень энергетических параметров, требуемый во многих применениях диапазона миллиметровых волн, определяет актуальность необходимости улучшения эксплуатационных и энергетических характеристик электровакуумных приборов, в том числе магнетронов миллиметрового диапазона.
При больших уровнях мощности ЭВП являются в настоящее время единственными источниками электромагнитных колебаний во всех областях оборонного и коммерческого применения. Важность создания электронных приборов с широким интервалом реализуемых СВЧ-характеристик в этом диапазоне связана с интенсивным развитием радиолокационных и радионавигационных высокоточных систем нового поколения, современного телекоммуникационного высокоскоростного оборудования, многих направлений научного приборостроения, а также с исследованиями в области ядерной физики, развитием новых технологических методов при обработке и синтезе материалов и т.д. Стремление создать ЭВП с меньшими размерами и массами, с низкой себестоимостью является одним из основных в настоящее время при разработке всех классов приборов. Достижение этой цели базируется на внедрении новых решений, позволяющих упростить конструкцию приборов и усовершенствовать технологию их изготовления.
Результаты проведенных многолетних исследований и разработок новых образцов многорезонаторных магнетронов в различных точках диапазона ММВ показали, что применение холодных вторично-эмиссионных катодов открывает новые перспективы для приборов М-типа с большим сроком службы.
Из приведенного обзора приборов миллиметрового диапазона длин волн можно видеть, что магнетрон остается одним из лучших вакуумных СВЧ-приборов по таким параметрам как КПД и отношению мощности выходного сигнала к массе прибора. Таким образом, проблема создания мощных импульсных КВЧ-магнетронов с улучшенными выходными параметрами и эксплуатационными характеристиками, предназначенных для работы в современных передатчиках РЛС, является актуальной в настоящее время.
Во второй главе изложены результаты проведения компьютерных расчетов с использованием методов математического моделирования и программного обеспечения, созданного А.С. Ершовым и И.К. Гурьевым. Основной целью расчетов являлся обоснованный выбор конструкции прибора, обеспечивающей следующие требования: выходная мощность не менее 4 кВт, анодный ток не более 15 А при анодном напряжении порядка 15 кВ. Учитывая то обстоятельство, что магнетроны в заданном диапазоне имеют низкий КПД, дополнительной целью расчетов являлось определение путей повышения КПД прибора.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: анализ влияния конструктивных (радиус катода), эмиссионных (максимальный коэффициент вторичной эмиссии), электродинамических (волновое сопротивление, значение собственной и внесенной добротности) и других параметров на выходные характеристики, выбор конструкции прибора, обеспечивающей максимальный КПД с учетом заданных ограничений.
Учитывая предыдущие разработки и известные аналоги, была выбрана конструкция магнетрона и проведены ее расчеты (рис. 1-3).
Рис. 1. Вольт-амперная характеристика | Рис. 2. Зависимость выходной мощности от анодного тока | ||
| Рис. 3. Зависимость КПД от анодного тока | |||
Из рисунков видно, что выходная мощность 48 кВт достигается при анодном напряжении 14,515,5 кВ. При этом анодный ток 716 А, а КПД 3,43,7 %. Таким образом, расчеты показали правильность выбранной конструкции. Выходная мощность более 4 кВт достигается при анодном напряжении 15 кВ, а анодный ток не превосходит 15 А. Положительным моментом данной конструкции является то, что рабочая точка находится далеко от режима срыва, что должно обеспечивать устойчивость работы прибора при различных флуктуациях параметров режима питания.
Анализ с помощью компьютерных методов показал следующее.
1. Предлагаемая конструкция обладает работоспособностью в соответствии с заданными техническими условиями.
2. В данной конструкции обеспечивается стабильная устойчивость работы прибора при флуктуациях параметров режима питания.
3. Найдены пути совершенствования конструкции прибора с целью повышения КПД (рис. 4-6). К ним относятся: уменьшение волнового сопротивления; увеличение индукции магнитного поля; подбор радиуса катода; увеличение собственной добротности; уменьшение внесенной добротности.
При этом открываются возможности увеличения КПД прибора до значений 5-6% при сохранении основных требований к конструкции.
Рис. 4. Зависимость КПД от коэффициента вторичной эмиссии | Рис. 5. Зависимость КПД от собственной добротности резонаторной системы |
Рис. 6. Зависимость КПД от внесенной добротности |
В третьей главе на основе проведенного анализа осуществлен выбор оптимальных параметров электронно-оптической системы магнетрона, обеспечивающей высокий КПД.
В первом параграфе рассмотрены преимущества магнетронов миллиметрового диапазона, работающих в режиме синхронизации электронного потока с высшими пространственными гармониками -вида, перед -видными магнетронами, а также особенности электронно-волнового взаимодействия таких магнетронов.
Второй параграф посвящен результатам измерений параметров негенерирующих магнетронов (лхолодным измерениям). Приведены результаты исследования макета магнетрона на низком уровне мощности. Замерена и исследована дисперсионная характеристика замедляющей системы. Рассмотрены элементы конструкции, влияющие на смещение частоты рабочего вида колебаний в процессе сборки и пайки магнетрона, приведены количественные и качественные иллюстрации этих уходов от положения анодных экранов, толщины ламелей, изменений, вносимых катодом. Рассмотрено влияние неоднородностей резонаторной системы на холодные параметры магнетронов. Измерены параметры рабочего вида и соседних видов колебаний, резонансные частоты этих видов колебаний и добротности (0, вн), что позволяет при наличии достаточного опыта изготовления магнетронов прогнозировать их рабочие характеристики (величину КПД, токи начала генерации и токи срыва рабочего вида колебаний). Исследовано распределение ВЧ-полей в резонаторной системе магнетрона, которое составляет важный этап в процессе разработки.
В третьем параграфе рассмотрен вопрос обеспечения доминации рабочего вида колебаний над конкурирующими видами. Успешное решение этого ключевого вопроса обеспечивает существование рабочего вида колебаний в максимально широкой области магнитных полей и анодных токов, что дает необходимую свободу маневра при выборе рабочей точки и позволяет реализовать на рабочем виде колебаний максимальный КПД электронно-волнового взаимодействия.
Одним из способов обеспечения доминации рабочего вида колебаний в магнетронах поверхностной волны является правильный выбор параметра
где L - шаг замедляющей (резонаторной) системы; tл - толщина ламели; (LаЦаtл) - ширина СВЧ-промежутка.
Параметр является одной из основных характеристик пространства взаимодействия магнетрона, взаимно связывающий важные конструктивные параметры.
Доказано, что путём целенаправленной регулировки значения всегда можно ослабить негативное влияние конкурирующих видов колебаний, усилив доминацию рабочего вида. Проведенная работа по оптимизации параметров замедляющей системы разрабатываемого магнетрона 2-миллиметрового диапазона позволила повысить КПД с 1,8-2,2 до 3,4 %.
В четвертом параграфе рассмотрен эффективный способ оптимизации выходных параметров не -видных магнетронов, заключающийся в максимальном сближении резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний. Как известно, разнос этих частот определяется величиной реактивности, вносимой в выходной резонатор выводом энергии.
Негативную роль реактивности, вносимой выводом энергии в выходной резонатор, можно пояснить следующим образом. Изменение собственной частоты выходного резонатора приводит и к изменению резонансной частоты вида колебаний в целом. Новой резонансной частоте вида колебаний будет соответствовать и новый сдвиг фазы на ячейку в неискаженной части резонаторной системы (в соответствии с дисперсионной характеристикой), а на искаженном выходном резонаторе происходит скачок фазы , дополняющий полное изменение фазы по окружности анода до значения 2n. Таким образом, условие резонанса азимутально-симметричной системы трансформируется в новое условие резонанса , где - сдвиг фазы на ячейку резонаторной системы на резонансной частоте вида колебаний в магнетроне с идеальной азимутальной симметрией; - сдвиг фазы на ячейку резонаторной системы на резонансной частоте вида колебаний в неискаженной части системы магнетрона с локально нарушенной азимунтальной симметрией; N - число резонаторов магнетрона; n - номер вида колебаний; - скачок фазы на искаженном резоннаторе.
По мере возрастания вносимой в выходнной резонатор дополнительной реактивности и соответствующего возрастания скачка фазы условие замкнутости электронного потока () все более нарушается, что ведет к снижению электронного КПД, а при электронно-волновое взаимодействие становится невозможным. Поэтому при большой величине следует принимать меры по компенсации вносимой реактивности.
Суть метода сближения резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний заключается в том, что собственная частота выходного резонатора, отстроенная вносимой выводом реактивностью, возвращается на свое первоначальное место изменением геометрии выходного резонатора или изменением геометрии других резонаторов, определенных специальным образом, что может быть реализовано в большинстве случаев (рис. 7).
Рис. 7. Пример некоторых способов изменения геометрии резонатора
В результате достигается электродинамическая азимутальная симметрия анода, минимизирующая частотный разнос компонент дублета и ликвидирующая скачок фазы на выходном резонаторе. Если же такая компенсация не произведена, то реализация максимально возможных значений выходной мощности и КПД затруднена и порой не достижима.
Экспериментально доказано, что приближение частоты f′ нагруженной составляющей к частоте f0 ненагруженной составляющей дуплета до получения минимально возможного частотного разноса компонент дублета приводит к росту КПД магнетрона 2-миллиметрового диапазона длин волн
.
Таким образом, в третьей главе собраны результаты исследований и экспериментов, позволяющие при разработке магнетронов миллиметрового диапазона сократить объем натурных проб и проводить оптимизацию электронно-оптической системы магнетронов еще на стадии проектирования.
Четвертая глава посвящена вопросам конструирования магнетронов 2-миллиметрового диапазона и проблемам обеспечения высокой долговечности.
В первом параграфе рассмотрены конструкторско-технологические проблемы разработки и проектирования миллиметровых магнетронов. Первый серийно выпускаемый магнетрон 2-миллиметрового диапазона был разработан еще 30 лет назад и имел долговечность 200 часов. После модернизации его долговечность была увеличена до 500 часов.
Разработка 2-миллиметровых магнетронов с долговечностью 1000-2000 часов, сравнимой с долговечностью более длинноволновых магнетронов, является сложной конструкторско-технологической проблемой. Для ее решения найдено и реализовано два принципиальных решения:
1. Конструктивное выполнение резонаторных систем (РС) магнетронов сделано по схеме магнетронов поверхностной волны (работа на гармонике одного из видов колебаний РС). Такая схема построения РС магнетронов позволяет в 1,5-2 раза увеличить размеры конструктивных элементов РС и существенно облегчить тепловые режимы анода и катода.
2. Главное решение, которое было предложено и реализовано в 2-миллиметровых магнетронах, - это новая структура пространства взаимодействия магнетрона (рис. 8). Разделение запускающего термокатода и вторично-эмиссионного катода не только функционально, но и конструктивно, на основной холодный и боковой вспомогательный термокатод позволило снизить тепловые нагрузки на электроды и повысить их надежность и надежность магнетронов в целом (табл. 1).
| Рис. 8. Конструкция пространства взаимодействия: 1- вторично-эмиссионный катод; 2 - анодные ламели; 3 - катод инжекторной пушки |
Таблица 1 - Сравнительные характеристики катодов
Тип катода | Материал | Рабочая температура, С | Долговечность, ч |
Термоэлектронный, металлосплавной | IrLa | 1350-1400 | 500-1000 |
Термоэлектронный, импрегнированный | -- | 1100-1200 | <500 |
Вторично-эмиссионный, металлосплавной | PtBa | 700-900 | >2000 |
Во втором параграфе рассмотрен вопрос обеспечения надежности анодной системы. Первые предварительные расчеты и эксперименты показали, что предъявляемые к магнетрону требования близки к предельно возможным, так как наряду с другими заданы жесткие требования по средней мощности, по анодному напряжению, по долговечности.
Традиционным материалом, который используется для изготовления анодных систем, является медь. Тепловые нагрузки на аноде рассматриваемых магнетронов настолько велики (порядка 2000 Вт/см2 или 2400000 Вт/см2 в импульсе), что заданная долговечность 2000 часов может быть получена только при условии защиты поверхности анода тугоплавкими материалами.
По специальной методике проведен расчет времени разрушения материала ламелей анода магнетрона в зависимости от геометрии ламелей, используемого материала, длительности импульса, скважности, неравномерности бомбардировки поверхности электронами (табл. 2). Методика позволяет с удовлетворительной точностью прогнозировать долговечность анодной структуры.
Таблица 2 - Расчетные данные по долговечности для медных и вольфрамированных ламелей на разных скважностях при трех коэффициентах неравномерности бомбардировки
Скажность - Q (Длительность импульса 75 нс) | Продолжительность работы до разрушения материала анода - Д (ч) | |||
Сu без Wпокр | Сu c Wпокр | |||
Кнеравн=1,5 | Кнеравн=1,5 | Кнеравн=2,0 | Кнеравн=3,0 | |
3000 | ~0,31 | 2,67106 | 9,7103 | ~8,76 |
2000 | ~0,19 | 1,24106 | 5,04103 | ~5,07 |
700 | ~0,04 | 67,3103 | 476,9 | ~0,82 |
Специфика магнетронов миллиметрового диапазона потребовала модернизации существующей технологии нанесения защитного покрытия. Покрытие на ламелях должно быть тонким, не более 25 мкм, чтобы не ухудшать электродинамику резонаторных систем, но не менее 10 мкм, чтобы обеспечить необходимую термомеханическую прочность; покрытие должно иметь прочное сцепление с подложкой. Благодаря разработанной технологии стойкость ламелей к электронной эрозии была повышена на несколько порядков, что позволило повысить надежность и долговечность магнетрона.
Одним из вопросов, требовавших проработки, стояло требование исследовать возможность изменения рабочей длительности импульсов до 50 нс и до 130 нс (номинальная заданная длительность составляет 75 нс, скважность 1250). Расчетные данные приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Расчетные данные по долговечности при различной длительности импульса
Длительность импульса , нс | Долговечность, ч |
50 | 4514 |
75 | 2604 |
130 | 1,7 |
На основе расчетов и результатов экспериментов была разработана методика ускоренных испытаний, сокращающая время прогонов на безотказность на два порядка.
Внедрение технологии вольфрамирования ламелей в магнетронах
2-миллиметрового диапазона длин волн позволило создать магнетроны с выходной импульсной мощностью 5-8-10,5 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 2000 ч.
В третьем параграфе рассмотрена технология изготовления резонаторной системы магнетронов. Для получения повышенной точности изготовления был использован электроискровой комплекс с лазерным слежением за перемещением режущего инструмента, созданный на базе собственных разработок в ОАО Тантал. После тщательной отработки конструкции, технологии сборки комплекса, создания условий его функционирования (исключение вибрации рабочего стола и инструмента, обеспечение чистоты рабочего помещения с точки зрения пыли и влаги, создание специальной технологической оснастки) удалось обеспечить повторяемость изготовления деталей резонаторных систем в пределах 0,1-0,2 мкм. Кроме того, удалось реализовать трёхпроходный процесс изготовления профиля резонаторных систем, что позволило повысить чистоту обработки поверхности на 2-3 класса. Использование нового, оригинального электроискрового комплекса позволило получить ранее не достижимую повторяемость частоты магнетронов от экземпляра к экземпляру в пределах ±30-50 МГц.
В четвертом параграфе рассмотрены вопросы повышения надежности катодного узла. Для изготовления катодов большинства магнетронов, в том числе и магнетронов 3-миллиметрового диапазона, принята технология шовной сварки эмиттера (ленты из сплава PtBa или PdBa) с молибденовым керном и с теплоотводом на внешний радиатор, обдуваемый воздухом. Для магнетронов 2-миллиметрового диапазона была использована новая технология по следующим причинам. Тепловая нагрузка (до 100 Вт/см2 ) на катод в разрабатываемом магнетроне в 5 раз выше, чем в существующих магнетронах 3-миллиметрового диапазона, а эмиссионная нагрузка (100 А/см2) - в 2 раза выше. Из-за этого технология шовной сварки оказалась непригодной, и пришлось искать новые решения.
| Рис. 9. Шлиф катода, изготовленного методом шовной сварки ленты из PdВa с керном, и катод после нескольких часов работы |
Для обеспечения эрозионной стойкости катода (при импульсной нагрузке 110 кВт/см2) и надежности в течение долговечности более 2000 часов применена технология создания слоистого катода (рис. 10).
| Рис. 10. Катод, эмиттер которого сварен из пластин PdBa, после нескольких часов работы |
Необходимое количество пластин из сплава PtBa толщиной 0,1 или 0,2 мм сваривались между собой и с молибденовым держателем, а узел дорабатывался на токарном станке по внешним размерам.
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, что обеспечивает высокую долговечность.
В пятом параграфе представлена реализованная идея интегрированной в конструкцию магнетрона системы параллельного жидкостного охлаждения катодного и анодного узлов, находящихся под высоким потенциалом (15 кВ). Проведенные расчеты и эксперименты показали недостаточность охлаждения принудительным воздушным способом из-за высокой тепловой нагрузки и малых поверхностей обдува. В связи с этим была разработана система жидкостного охлаждения с применением керамических гидроизоляторов для электрической развязки.
В шестом параграфе описана конструкция разработанного волноводного вывода энергии с керамическим вакуумным уплотнением в круглом волноводе. В магнетронах-аналогах вместо керамики использовалась искусственная слюда в прямоугольном волноводе. Благодаря новой конструкции вывода энергии, хорошо согласованного с резонаторной системой магнетрона, появилась возможность работать при высокой выходной мощности без поддува в волновод и повысить температуру, при которой осуществляется откачка, с 400 до 550 С.
В седьмом параграфе представлены результаты испытаний созданных образцов магнетронов на базе всех проведенных исследований и конструкторско-технологических усовершенствований.
На рис. 11 приведены рабочие характеристики магнетронов в номинальных рабочих режимах: длительность импульса 75 нс, скважность 1250, жидкостное охлаждение с суммарным расходом 1,5 л/мин. При анодном напряжении 14-15 кВ и анодном токе 5-15 А реализуется выходная мощность 1-7,5 кВт. Таким образом, достигнут требуемый результат по увеличению КПД и реализации выходной мощности 4-5 кВт при анодном токе 12 А. Разработанная технология обеспечивает хорошую повторяемость.
Рис. 11. Рабочие характеристики в номинальном режиме работы магнетронов
Следует отметить, что благодаря проведенным работам по оптимизации геометрии резонаторной системы, описанным в третьей главе, удалось получить низкие начальные токи рабочего вида. В результате рабочая точка с максимальным КПД сместилась с 15 А на 12 А.
Один из магнетронов был испытан на долговечность в номинальном режиме работы. Результаты приведены на рис. 12.
| Рис. 12. Результаты испытаний
|
Из графика видно, что первые 300 часов происходит снижение мощности на 250 Вт, далее мощность снижается незначительно, а на последней сотне часов практически не изменяется. Таким образом, можно прогнозировать, что порог в 4 кВт не будет преодолен и при дальнейших испытаниях.
В одной из конструкций магнетрона реализована задача увеличения импульсной мощности до 8-10,5 кВт без значительного увеличения анодного напряжения. Такая мощность была получена при анодных токах 17-20 А и анодных напряжениях до 16 кВ (рис. 13).
Рис. 13. Рабочие характеристики разработанных образцов магнетронов
Таким образом, в результате проведенных исследований и экспериментов был создан опытный образец магнетрона 2-миллиметрового диапазона длин волн с улучшенными характеристиками по сравнению с аналогами, а именно: подводимая мощность при одинаковой выходной мощности снижена со 175 до 140 Вт, КПД увеличен с 2,2 до 3,5%, долговечность увеличена с 500 до 2000 часов, масса снижена на 20%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
В диссертационной работе в результате выполненных численных расчетов и экспериментальных исследований решена актуальная научно-техническая задача по созданию образцов магнетронов миллиметрового диапазона с высокими характеристиками, удовлетворяющими требованиям дальнейшего увеличения надежности и долговечности, уменьшения массы, повышения эксплуатационной эффективности, в том числе экономической (снижение затрат на час эксплуатации).
На пути решения этой задачи были получены следующие основные результаты:
- разработана конструкция резонаторной системы магнетрона 2-миллиметрового диапазона с высокими электродинамическими, теплорассеивающими и термомеханическими характеристиками и проведена оптимизация геометрии элементов резонаторных систем с целью повышения КПД магнетрона (электронного и контурного);
- показано, что оптимально подобранные значения толщины (ширины) ламели tл, шага резонаторной системы L, собственной и внесенной добротности позволяют повысить КПД магнетронов 2-миллиметрового диапазона с 1,8-2,2 до 2,8-3,5%;
- показана необходимость совмещения или сближения резонансных частот компонент дублета рабочего вида колебаний многорезонаторного магнетрона, разнос которых определяется величиной реактивности, вносимой в выходной резонатор выводом энергии. Предложен метод сближения, сущность которого заключается в изменении геометрии резонаторов, определенных специальным образом, в результате чего достигается электродинамическая азимутальная симметрия анода, минимизирующая частотный разнос компонент дублета и ликвидирующая скачок фазы на выходном резонаторе;
- разработана электронно-оптическая система 2-миллиметрового магнетрона с основным холодным и боковым вспомогательным термокатодом, обеспечивающая более высокую надежность, чем у аналогов;
- впервые разработана и реализована интегрированная в конструкцию магнетрона система жидкостного охлаждения анодного и катодного узлов, в которой одна и та же жидкость используется для охлаждения, как заземленного анода, так и высокопотенциального катода (15 кВ); выбран и реализован режим охлаждения вторично-эмиссионного катода, обеспечивающий его эрозионную стойкость в течение 2000 часов;
- разработана технология изготовления резонаторных систем с погрешностью взаимного расположения конструктивных элементов (ламелей) порядка 2 мкм. Это позволило добиться повторяемости генерируемой магнетронами частоты от экземпляра к экземпляру менее 100 МГц (менее 0,1%);
- разработана методика проведения ускоренных испытаний на безотказность. Данная методика позволяет с удовлетворительной точностью прогнозировать наработку приборов и сократить время испытаний;
- проведены испытания магнетрона на долговечность в течение 1000 часов. Результаты свидетельствуют о правильности выбранных конструктивно-технологических решений, которые обеспечивают работоспособность и прогнозируемую долговечность не менее 2000 часов.
Решение перечисленных вопросов позволило создать сверхнадежные на сегодняшний день магнетроны миллиметрового диапазона с минимальной наработкой на отказ не менее 2000 ч при прогнозируемой долговечности 3000-5000 ч с КПД 2,5-3,5%, подводимой средней мощностью 140-175 кВт при выходной средней мощности 3-5 Вт. Разработанные магнетроны превосходят аналоги по долговечности более чем в 2 раза, по КПД - в 1,5-2 раза, удобству подключения, имеют меньшую массу. Проведено внедрение полученных результатов на предприятии ОАО Тантал, что подтверждается актом внедрения.
Содержание диссертации изложено в следующих работах:
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Булдаков Е.И. Выбор оптимальных параметров резонаторной системы магнетронов поверхностной волны / Е.И. Булдаков, В.А. Адамович, В.П. Еремин // Гетеромагнитная микроэлектроника: сб. науч. трудов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2011. Вып. 11. C. 25-32.
2. Булдаков Е.И. Исследование и разработка мощных импульсных 2х мм магнетронов повышенной надежности / Е.И. Булдаков, А.А. Захаров, В.П. Еремин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. №4 (60). С. 80-86.
В других изданиях
3. Булдаков Е.И. Исследование электродинамических характеристик миллиметрового магнетрона КВЧ диапазона / Е.И. Булдаков, П.В. Ерошенко, В.П. Еремин // Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. Саратов: ОАО НПП Контакт, 2009. Вып. 3. С. 33-37.
4. Булдаков Е.И. Экспериментальное определение мощности обратной электронной бомбардировки катода мм-магнетрона / И.Ш. Бахтеев, Н.А. Коплевацкий, Е.И. Булдаков // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Саратов: СГТУ, 2009. Т. 1. С. 227-228.
5. Булдаков Е.И. Разработка системы жидкостного охлаждения для мощных импульсных приборов КВЧ диапазона длин волн в обеспечении радиоэлектронных систем нового поколения / Е.И. Булдаков, В.Б. Магомедов, Х.Д. Качаев // Всерос. молодежная выставка-конкурс прикладных исследований, изобретений и инноваций: сб. материалов: в 2 ч. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. Ч. 1. С. 7.
6. Булдаков Е.И. Методика расширения полосы синхронизации магнетрона миллиметрового диапазона / И.Ш.Бахтеев Х.Д. Качаев, Е.И. Булдаков // Актуальные проблемы электронного приборостроения: материалы 9-й Междунар. науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2010. С. 331-335.
7. Булдаков Е.И. Некоторые аспекты создания надежных выводов энергии для мощных импульсных магнетронов КВЧ диапазона / Е.И. Булдаков // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых: в 2 т. Саратов: СГТУ, 2010. Т. 1. С. 297-300.
8. Булдаков Е.И. Некоторые особенности классических магнетронов поверхностной волны / Е.И. Булдаков, И.Ш. Бахтеев // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. трудов. Саратов: СГТУ, 2010. С. 22-26.
9. Булдаков Е.И. Мощный импульсный 2 мм магнетрон с долговечностью 2000 часов / А.В. Ляшенко, А.А. Солопов, Е.А. Федоренко, В.П. Еремин, А.В. Пастухова, Е.И. Булдаков // Материалы XVII координационного научно-технического семинара по СВЧ технике. Нижний Новгород: ФГУП НПП Салют, 2011. С. 19-21.
10. Булдаков Е.И. Магнетроны миллиметрового диапазона с воздушным охлаждением с долговечностью 2000 часов / А.В. Ляшенко, А.А. Солопов, Е.А. Федоренко, В.П. Еремин, Е.И. Булдаков // VII Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: сб. материалов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2012. С. 44-46.
11. Булдаков Е.И. Мощный импульсный 8-мм магнетрон в безнакальном исполнении с мгновенной готовностью / А.В. Ляшенко, А.А. Солопов, Е.А. Федоренко, В.П. Еремин, А.В. Гагаринский, Е.И. Булдаков // VII Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: сб. материалов. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2012. С. 43-44.
Подписано в печать 22.05.2012 Формат 6084 1/16
Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз. Заказ 16
ООО Издательский Дом Райт-Экспо
410031, Саратов, Волжская ул., 28
Отпечатано в ООО ИД Райт-Экспо
410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям