Файл: Самсонов, Д. Е. Основы расчета и конструирования магнетронов. (Настройка. Стабилизация. Вывод энергии. Холодные измерения).pdf

этом около 80% всей мощности потерь рассеивается на участке, равном половине широкой стенки волновода. В круглом волноводе максимум плотности потерь для волны типа Нц также лежит в центре.

Расчет температурных полей для некоторых конструкций окон

растание температуры, в результате которого происходит темпера­ турный пробой диэлектрика (прожигание).

При малых толщинах окна рассеянием тепла па стенки волно­ вода можно пренебречь. В основном тепло рассеивается на конвек­ ционный теплообмен с газом и тепловое излучение. Мощность, рас­ сеиваемая па излучение, определяется по формуле

окно, рассчитывается из условия баланса мощности допустимых по­ терь и отводимой мощности по формуле

более интересными отечественными и зарубежными работами, посвя­ щенными этому вопросу, являются работы [132—142].

Сущность этого явления состоит в следующем. Первичные элек­ троны, ускоренные ВЧ полем, приобретают большие энергии. Уда­ ряясь о диэлектрик, они выбивают вторичные электроны, которые, в свою очередь, ускоряясь полем, вновь выбивают из диэлектрика электроны и т. д. В результате такого процесса в вакууме возни­ кает высокочастотный вторично-электронный разряд. Энергия удара

261

лучении [121, 127]. Вследствие эмиссии электронов поверхность ди­ электрика заряжается. Процесс стекапия заряда с поверхности со­ провождается дополнительным нагревом диэлектрика.

Интенсивность вторично-электронного разряда зависит от физи­ ческих свойств диэлектрика, от степени чистоты его поверхности, ве­ личины коэффициента вторичной эмиссии, степени вакуума, степени обезгаженности диэлектрика, наличия свободных электронов, от фор­ мы поверхности, структуры и интенсивности электромагнитных ВЧ и статических полей. Вторично-электронный разряд в СВЧ поле может иметь место и при больших углах пролета между поверхно­

Рис. VII.19. Способы охлаждения плоских и выпуклых окон:

а — о т в о д т е п л а в о з д у ш н о й к о н в е к ц и е й ; б — в о д я н о е о х л а ж д е н и е ; в — к о н в е к ­ т и в н ы й т е п л о о т в о д с п о м о щ ь ю с п е ц и а л ь н о й к а м е р ы ; г — к о н в е к т и в н ы й г а з о ­ в ы й т е п л о о т в о д с п о м о щ ь ю з а м к н у т о й с и с т е м ы .

При прочих равных условиях вторично-электронный разряд лег­ че возникает в окнах выпуклой и плоской наклонной конструкции, труднее — в плоских поперечных окнах. В последнем случае может наблюдаться «одноповерхностный» разряд. Среди многих способов предотвращения вторично-электронного разряда наиболее эффектив­ ным считается нанесение па поверхность диэлектрика различного рода аптиэмиссионных покрытий. В качестве аптиэмиссиониых по­ крытий используются золото [4], титан, окись титана, нитрид бора [143], пятиокись ванадия [144] и некоторые виды высокотемператур­ ных глазурей [186].

Для повышения пропускной способности и надежности узла вакуумного уплотнения па практике принимают специальные меры по повышению эффективности теплоотвода от окна, т. е. применяют различные способы естественного и принудительного охлаждения окна. На рис. VII.19 показаны лишь некоторые из них.

Принудительный конвективный отвод тепла применяют в основ­

из-за больших расстояний от наиболее нагретых участков окна до металлических стенок волновода. При этом замкнутую систему при­

262

9. Электрическая прочность выходных устройств

Электрический пробой в т о л щ е керамики выходных устройств импульсных магнетронов (внутренний пробой)

мало заметный технологический дефект керамики, к а к наличие в ней микропусгот, может снизить ее электри ­

верхностный пробой диэлектрического окна, часто пере­ ходящий в непрерывный поверхностный р а з р я д , м о ж е т

ной стороны окна, но может возникнуть и с внутренней (вакуумной) стороны окна. В работе [137], например, отмечается, что развитие поверхностного пробоя сущест­ венно зависит от свойств металлизации, т. е. от сопро­

торы (паразитные резонансы, вторично-электронный раз ­ ряд) устранены .

Д л я уменьшения вероятности поверхностного пробоя на практике стремятся увеличить длину пути д л я воз­

263

к е р а м и ки с металлом от сильных высокочастотных по­ лей, что достигается расположение м спая в узле напря ­ жения или выносом его из зоны действия В Ч поля; улуч­ шить технологию спая или вовсе отказатьс я от спая ке­ рамики с металлом через металлизированны й слой, за­ менив его вакуумноплотным высокотемпературным клеем.

В некоторых случаях электрическую прочность кера­ мики удается повысить использованием специальных за­ щитных покрытий. Пр и наличии избыточного давлени я в волноводном тракте электрическая прочность выходно­ го устройства резко повышается .

коаксиально-волноводный переход. В процессе динамических испы­ таний выяснилось, что слабым местом у этого магнетрона является

Расстояние вдоль коаксиальной пинии

Рис. VII.20. К явлению электрического пробоя в выходном устрой­ стве магнетрона:

узел соединения штыря петлевого трансформатора с внутренним проводником коаксиальной линии ((рис. VII. 20): в месте соединения наблюдались пробои и подгорали контакты.

Тщательные исследования причин пробоев помогли установить, что в непосредственной близости к месту соединения указанных элементов отмечается резкое возрастание («всплеск») относитель­ ной величины электрического поля, приходящееся на спай стекла

2 6 4

с вольфрамовым штырем /. Пробои не наблюдались, когда рас­ стояние от места соединения до места спая d равнялось нулю.

Подгорание же контактов удалось устранить, применив пружиня­ щий контакт с более развитой поверхностью.

2-й пример. При разработке магнетрона у большинства испытан­ ных образцов наблюдались электрические пробои в узле вакуум­ ного уплотнения на одной из волн в средней части диапазона пере­ стройки. Иногда пробои возникали уже при уровнях мощности, в три раза меньших, чем номинальная. На остальных же волнах диа­ пазона перестройки выходное устройство пропускало без пробоев полуторакратные уровни мощности по отношению к номинальной. Полоса частот, в которой наблюдались высокочастотные пробои, составляла всего '1—2 МГц.

По предположению, пробои возникали вследствие резонансного возбуждения полости узла вакуумного уплотнения, конструкция которого показана на рис. VII.11. Поскольку в этой полости про­ исходит «деформация» основного типа волны Ню, то возбуждение высших типов волн в ней не исключено. В данном случае наиболее опасным типом волны (в смысле электрических пробоев) является волна типа E 0 i , имеющая продольную составляющую электрического поля.

Действительно, на возбуждение в полости именно волны типа Eoi указывал сам характер пробоев: пробои носили характер лавин­ ного искрового разряда, переходящего в дуговой разряд и остав­ лявшего на закругленной части волноводной насадки 5 следы под-

гара. Присутствие в искаженном поле волны типа Еп также не исключено.

Предположение о резонансном возбуждении полости в даль­ нейшем подтвердилось: после того, как объем полости был умень­ шен путем уменьшения радиуса закругления патрубка / и насад­ ки 5, электрические пробои в узле вакуумного уплотнения прекрати­

лись (собственная волна полости сместилась за диапазон настройки магнетрона со стороны короткой волны)-.

3-й пример. Еще более запутанным оказалось явление электриче­ ского пробоя и лавинного разряда в выходном устройстве мощного импульсного магнетрона, в котором пробой развивался с вакуумной стороны стеклянного окна куполообразной формы (рис. VII.21). Чаще всего пробои развивались с концов экспоненциальных «крыль­

«разгруженного дублета» ближайшего к Jt-виду паразитного вида

Независимыми измерениями относительной величины напря­ женности поля вблизи концов крыльев удалось установить, что она приблизительно на порядок больше для частоты разгруженного дублета, чем для частоты я-вида колебаний.

фиксировалась частота разгруженного дублета. При этом стеклян­ ный колпак не выходил из строя до тех пор, пока уровень мощ­ ности, генерируемой на частоте я-вида, оставался в несколько раз меньше номинального уровня. При номинальном же уровне мощно­ сти на частоте я-вида возбуждение разгруженного дублета всякий

265