магнетрон для свч-нагрева

Формула изобретения

МАГНЕТРОН ДЛЯ СВЧ-НАГРЕВА, содержащий вторично-эмиссионный катод, выполненный в виде прямонакальной цилиндрической спирали, покрытой эмиссионными веществом, и замедляющую систему с ламелями, отличающийся тем, что, с целью обеспечения экологически чистой конструкции, повышения КПД и срока службы, шаг h цилиндрической спирали катода выбран из соотношения

0,1 d h - d H - D,

где d - диаметр проволоки, мм;

H - расстояние между центрами ламелей (шаг замедляющей системы), мм;

D - толщина ламели, мм,

а эмиссионное вещество имеет состав, мас.%:

Y - 76 - 78

Re - 0,4 - 4,0

O - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронным СВЧ-приборам, в частности к магнетронам непрерывного действия, используемым для СВЧ-нагрева.

Известны магнетроны, в которых применяются цилиндрические катоды косвенного накала с покрытием из вторично-эмиссионного материала на основе окислов редкоземельных металлов [1]. Приборы импульсного действия с такими катодами имеют сравнительно высокий КПД и могут стабильно работать длительное время (несколько тысяч и более часов).

Однако, приборы непрерывного действия имеют ограниченный срок службы (несколько сотен часов) из-за малой устойчивости эмиссионного материала к электронной бомбардировке. Кроме того, катоды косвенного накала обладают большой тепловой инерционностью и время готовности магнетронов обычно составляет несколько минут.

Известны магнетроны непрерывного действия малой мощности 1 кВт для бытового СВЧ-нагрева, в которых используются прямонакальные термоэмиссионные катоды из торированного вольфрама в виде цилиндрической спирали и замедляющая система с ламелями [2]. Такие магнетроны имеют время готовности несколько секунд и выдерживают большое количество включений.

Недостатком этих магнетронов является применение радиоактивного вольфрам-ториевого сплава для катода. Здесь следует отметить, что 100 шт. спиралей катодов имеют излучение по и составляющим в 10 раз, а по составляющей в 100 раз выше фонового. Таким образом, необходима защита рабочего персонала от радиоактивного поражения, особенно при механических, химических и термических операциях (навивка, травление, отжиг, карбидирование) изготовления спиралей и на операции откачки приборов. Производство приборов должно быть сосредоточено в отдельном замкнутом помещении и обеспечено захоронение радиоактивных отходов. Кроме того, высокая рабочая температура катода 1600-1700^оС приводит к потере его формоустойчивости, это ограничивает срок службы магнетрона до 1-2 тысяч часов.

Недостатком таких магнетронов является также относительно низкий КПД 55-60%, поскольку анодный ток определяется в основном термоэлектронной эмиссией катода.

Целью изобретения является создание экологически чистой конструкции, повышение КПД и срока службы магнетрона для СВЧ-нагрева.

Поставленная цель достигается тем, что в магнетроне для СВЧ-нагрева, содержащем вторично-эмиссионный катод, выполненный в виде прямонакальной цилиндрической спирали, покрытой эмиссионным веществом, и замедляющую систему с ламелями, согласно изобретению шаг h цилиндрической спирали катода выбран из соотношения

0,1 h - d H - D, где d - диаметр проволоки, мм;

Н - расстояние между центрами ламелей, мм;

D - толщина ламели, мм, а также тем, что во вторично-эмиссионном катоде, мас.%: иттрий 76-78; рений 0,4-4; кислород - остальное.

На чертеже изображена схема пространства взаимодействия заявленного магнетрона.

Магнетрон содержит вторично-эмиссионный катод, выполненный в виде прямонакальной цилиндрической спирали 1 и расположенный внутри замедляющей системы с ламелями 2.

Выполнение условия h - d H - D позволило использовать вторично-эмиссионный катод и обеспечить эффективное взаимодействие электронного потока с ВЧ-полем, увеличить КПД магнетрона на 5-10% (вместо 55-60% с термоэмиссионным вольфрам-ториевым катодом до 65-70% с предложенным катодом). При этом за счет увеличения объемного пространственного заряда режим работы прибора с требуемой выходной мощностью достигается при меньшей напряженности электрического поля у катода и анода, в результате снижается электронная бомбардировка этих электродов и увеличивается долговечность магнетрона. Экспериментально также установлено, что, когда размер щели в спирали катода больше зазора между ламелями h - d > H - D, наблюдается уменьшение предельных токов срыва из-за изменения механизма размножения электронов на катоде, так как уже значительная часть электронов, бомбардирующих катод, проваливается в щель между витками спирали. Поэтому использование конструкции магнетрона с таким соотношением параметров катода и ламелей нецелесообразно.

При изготовлении спирали, когда h - d 0,1d, обеспечивается минимальный гарантированный зазор между витками, равный 0,1 диаметра проволоки. При меньшем зазоре возможно межвитковое замыкание спирали.

Кроме того, при таких малых зазорах между витками спираль катода практически превращается в сплошной цилиндрический катод, обеспечивающий высокую степень спонтанного размножения вторичных электронов, что приводит к росту паразитной генерации и падению КПД магнетрона.

Покрытие катода диспергированным эмиссионным материалом указанного состава, который обладает устойчивостью к электронной бомбардировке, позволяет получить высокие стабильные вторично-эмиссионные характеристики катода - коэффициент вторичной электронной эмиссии - 2,5 0,1 и относительно низкую работу выхода - 3,3-3,4 эв, что обеспечивает работу магнетрона при рабочей температуре катода 1400 50^оС. Существенное снижение рабочей температуры катода по сравнению с прототипом позволяет увеличить долговечность магнетрона особенно в циклическом режиме включения-выключения за счет повышения формоустойчивости спирали. Предложенное эмиссионное вещество является экологически безвредным и отпадают все трудности и расходы, связанные с использованием радиоактивного материала.

Увеличение содержания иттрия более 78 мас.% и уменьшение рения менее 0,4 мас. % в эмиссионном веществе приводит к резкому снижению устойчивости катода, к электронной бомбардировке и сокращению срока службы магнетрона. Уменьшение содержания иттрия менее 76 мас.% и увеличение содержания рения более 4,0 мас.% приводит к заметному снижению тока термоэмиссии и как следствие этого к большей стартовой температуре катода при запуске магнетрона, что также сокращает его срок службы.

Были изготовлены прямоканальные катоды из вольфрамовой проволоки диаметром 0,6 мм в виде цилиндрической спирали диаметром 5 мм и длиной 10,5 мм с шагом спирали 0,8-0,9 мм. При этом шаг замедляющей спирали составлял 2,5 мм, а толщина ламелей 1,5 мм. Синтерированная рабочая поверхность спирали была покрыта диспергированным эмиссионным веществом на основе соединений иттрия, рения и кислорода с содержанием рения в количестве 0,5-2,0 мас.%. Магнетроны (типа М-105) обеспечили все необходимые параметры, включая выходную мощность. КПД таких приборов составил 65-70%.