Способ изготовления катодно-фокусного узла
Использование: электронные СВЧ-приборы с катодами малых диаметров. Сущность изобретения: отсутствие ступеньки на стыке рабочих поверхностей катода и фокусирующего электрода. Для этого после соединения таблетки катода и фокусирующего электрода осуществляют совместную доработку из рабочих поверхностей. 4 ил.
Изобретение относится к СВЧ-приборостроению, в частности к электронным пушкам с катодами малых поперечных диаметров. Известна электронная пушка [1] в которой фокусирующий электрод выполняется в форме усеченного конуса, приближенного к катоду отверстием меньшего диаметра. Из-за неизбежного разброса геометрических размеров при изготовлении электродов, последующей из сборки и теплового ухода в рабочем состоянии, расстояние катод-фокусирующий электрод в этой конструкции никогда не соответствует расчетному. При этом зазор между катодом и фокусирующим электродом вызывает паразитную эмиссию с краев катода, что является причиной ухудшения ламинарности электронного потока. Частично эти недостатки исключены в катодно-фокусном узле (КФУ) (Malzahn P. Lippert G. "Die Losung technologischer Probleme bei Satellitenwander feldrohren im MM-We-Wellenbereich. NTA-Fachberichte" N 85, 1983, p. 44-50, fig. 3), изготовление которого включает соединение части фокусирующего электрода с катодом, при этом зазор со второй (электрически изолированной от катода) частью фокусирующего электрода удален от катода, причем фокусирующий электрод выполняется из неэмиттирующего материала. Недостаток способа сборки такого узла определяется сложностью установки электродов относительно друг друга, в результате чего практически невозможно исключить появление ступеньки при переходе с эмиттирующей поверхности катода на примыкающую к ней поверхность фокусирующего электрода. Выдвижение при этом фокусирующего электрода выше границ катода способствует чрезмерному сжатию пучка вблизи катода, а ниже появлению паразитной эмиссии с его боковой поверхности, что в обоих случаях неизбежно ухудшает ламинарность электронного потока и приводит к снижению микропервеанса Р I (мкА)/V (В3/2) электронного пучка (снижению рабочего тока пучка). Прототипом предлагаемого изобретения является способ изготовления КФУ, [2] включающий изготовление таблетки катода (диска) маршрутная карта ОМ7.319.506 МК, операции N 2-12) и фокусирующего электрода из антиэмиссионного материала (гафний), травление ионами азота и покрытие (осмирование) (ОМ7.319.506 МК, операция N 16), а также беззазорное соединение фокусирующего электрода с катодом лазерной сваркой (технологическая карта ОМ3.520.296. ТК2, пункты 2.29, 2.34, 2.35). Недостатком способа является сложность совмещения рабочих поверхностей катода и фокусирующего электрода, что неизбежно приводит к образованию ступеньки на их стыке и в результате не позволяет формировать электронные пучки с высоким микропервеансом и использовать собираемые таким образом КФУ в пушках приборов с повышенным катодным током при малых ускоряющих напряжениях. Целью изобретения является повышение микропервеанса электронного пучка за счет отсутствия ступеньки на стыке рабочих поверхностей катода и фокусирующего электрода. Поставленная цель достигается в способе изготовления КФУ, включающем операции изготовления таблетки катода и фокусирующего электрода из антиэмиссионного материала, баззазорного соединения электродов лазерной сварки, травления ионами азота и осмирования, тем, что вначале таблетку катода и фокусирующий электрод, изготовленные с припуском по высоте, соединяют лазерной сваркой, затем токарной обработкой формируют их общую сферическую рабочую поверхность, выполняют травление ионами азота и осмирование полученной общей сферической поверхности электродов узла. Новым в предлагаемом способе является формирование общей сферической поверхности катода и фокусирующего электрода после их сборки, что практически исключает появление ступеньки при переходе с рабочей поверхности катода на рабочую поверхность фокусирующего электрода, которая неизбежно появляется при реализации способа-прототипа, а также осмирование электродов, как по рабочей поверхности катода, так и по поверхности фокусирующего электрода. Положительный эффект при этом обусловлен высокими антиэмиссионными свойствами материала фокусирующего электрода в условиях напыления на его поверхности продуктов испарения с металлопористого катода. Наличие новых отличительных признаков, не имеющих место в прототипе, позволяющих получить положительный эффект, подтверждает соответствие предлагаемого технического решения критерию "Новизна". Изготовление деталей с припуском и дальнейшая их доработка широко применяется в производственной сфере, однако в предлагаемом способе введение совместной доработки при формировании рабочих поверхностей катода и формирующего электрода в процессе изготовления КФУ с последующим на завершающей стадии осмированием всей рабочей поверхности узла, как катода, так и фокусирующего электрода, является новым в катодной технике и дает новую последовательность операций. В результате достигается положительный технический эффект устранение скачкообразности перехода эмиттирующей поверхности катода на примыкающую к ней поверхность фокусирующего электрода и повышения за счет этого микропервеанса электронного пучка, что особенно существенно проявляется в случае катодов с малыми поперечными диаметрами. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия". На фиг. 1 показано продольное сечение КФУ, реализуемого предлагаемым способом; на фиг. 2-4 результаты расчетов электронно-оптической системы с катодно-фокусным узлом без ступеньки между поверхностями электродов и расчеты электронного пучка при уходе фокусирующего электрода относительно катода. Как видно из фиг. 1, катод 1 плотно вставлен в фокусирующий электрод 2, причем сферическая поверхность его эмиттирующей части с поперечным диаметром d переходит в сферическую поверхность фокусирующего электрода, имеющую тот же радиус кривизны Rсф и ограниченную его внешним поперечным диаметром D, превосходящим диаметр d. Это дополнительно упрощает операцию контроля геометрии узла, так как вместе с увеличением диаметра увеличивается и глубина сферы с величины h до величины Н. Рассматривая конкретный случай, когда d 1,5 мм, Rсф 3,4 мм можно вычислить, что h
8,08 мм, а глубина общей сферы возрастает, например, при D 2,9 мм до Н 0,33 мм, а при D 3,5 мм до Н 0,48 мм. Предлагаемый способ предусматривает формирование сферической рабочей поверхности КФУ после его сборки, что позволяет абсолютно исключить ступеньку на переходе катод-фокусирующий электрод, оказывающую существенное влияние на ламинарность формируемого электронного потока. На фиг. 2-4 показаны расчетные границы электронного пучка 3 в пролетном канале 4 с радиусом R при распределении магнитного поля 5 для трех случаев, когда граница перехода с катода 1 на фокусирующий электрод 2 сдвинута вниз на величину всего 0,05 мм (фиг. 2), вверх на 0,05 мм (фиг. 3) и при реализации предлагаемого способа (при абсолютном отсутствии сдвига, фиг. 4). Из анализа результатов расчета следует, что заполнение пучком пролетного канала (фиг. 2, 3) увеличивается по сравнению с номинальным случаем (фиг. 4) на 25,7% и 36,4% соответственно. Такое существенное увеличение заполнения приводит к ухудшению токопрохождения пучка (снижению рабочего тока пучка и, соответственно, микропервеанса пуска) и параметров прибора на стадии динамических испытаний, надежности при эксплуатации прибора в целом. Для снятия деформированного в результате токарной обработки поверхностного слоя катода вместе с управляющим электродом подвергается глубокому травлению ионами азота, после чего вся рабочая поверхность узла покрывается пленкой металлов на основе осмия, что улучшает эмиссионные свойства катода. Покрытие слоем осмия поверхностей как катода, так и фокусирующего электрода, стало возможным при применении для фокусирующего электрода материала, сохраняющего высокими антиэмиссионные свойства (гафния, сплава на основе циркония и ниобия) в условиях напыления. В этом случае сохраняется высокий градиент эмиссии катода и фокусирующего электрода, что подтверждено результатами экспериментального обследования катодного узла в эмиссионном микроскопе. По истечении 3000 ч при яркостной температуре катода 1030-1070оС поверхность фокусирующего электрода, покрытого слоем осмия, осталась темной, что свидетельствует об отсутствии эмиссии с этого электрода. В качестве примера конкретного исполнения предлагается следующий способ изготовления КФУ. Керн катода, включающий камеру с подогревателем, изготавливается из молибдена. Из заготовки на основе пористого вольфрама, пропитанного активным эмиссионным веществом, например, алюминатом бария-кальция, на токарном станке вытачивается таблетка катода. Таблетка катода паяется с керном с помощью припоя на основе вольфрама-кобальта при 1500оС в среде водорода, после чего катод обрабатывается на токарном станке до получения заданного диаметра и припуска по высоте, определяемого заданными величинами радиуса сферы рабочей поверхности узла и внешнего диаметра фокусирующего электрода (например, при Rсф 3,4 мм, D 2,9 мм припуск составляет 
0,35 мм). Фокусирующий электрод вытачивается из антиэмиссионного материала (например, гафния или цирконий-ниобиевого сплава ЦН-25) на токарном станке с припуском по высоте и диаметром отверстия под посадку катода, согласующимися с размерами катода. Фокусирующий электрод с помощью лазерной сварки крепится на катоде, после чего на токарном станке протачивается общая (для катода и примыкающего к нему фокусирующего электрода) сферическая рабочая поверхность КФУ с заданным радиусом кривизны. Далее проводится глубокое травление ионами азота на глубину 7-10 мкм, а затем вся рабочая поверхность узла покрывается пленкой на основе осмия методом катодного распыления. Применение КФУ, изготовленного предлагаемым способом, в электронной пушке ЛБВ коротковолнового диапазона частот (диаметр катода 1,5 мм) позволило за счет повышения тока электронного пучка (с 30 до 80 мА) при более низких ускоряющих напряжениях повысить с микропервеанс электронного пучка в 4 раза (с 0,03 до 0,12), что позволяет разрабатывать при его использовании более эффективные приборы при продвижении в область более коротких волн, способствует повышению их выходных параметров при тех же или меньших питающих напряжениях.
Формула изобретения
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДНО-ФОКУСНОГО УЗЛА для электронных СВЧ-приборов, содержащий операции изготовления таблетки катода и фокусирующего электрода из антиэмиссионного материала, их беззазорного соединения лазерной сваркой, травления ионами азота и осмирования, отличающийся тем, что с целью повышения микропервеанса электронного пучка за счет устранения ступеньки на стыке рабочих поверхностей катода и фокусирующего электрода, таблетку катода и фокусирующий электрод изготавливают с припуском по высоте, соединяют их лазерной сваркой, токарной обработкой формируют их общую сферическую рабочую поверхность, после чего проводят травление ионами азота и осмирование полученной общей сферической поверхности.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
