Расчет параметров нитевидных кристаллов, сформированных на поверхности автоэлектронных катодов магнетронов с безнакальным запуском Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ELECTRONICS MATERIALS

Научная статья УДК 621.385.032.21

https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-7-15 EDN: DRQFCA

Расчет параметров нитевидных кристаллов, сформированных на поверхности автоэлектронных катодов магнетронов с безнакальным запуском

Д. В. Бычков1'2, \В. С. Петров2, И. П. Ли

2 тж тт тт..2

1 Московский институт радиотехники, электроники и автоматики -Российский технологический университет, г. Москва, Россия 2АО «Плутон», г. Москва, Россия

* [email protected]

Аннотация. Разработка и внедрение в серийное производство линейки безнакальных магнетронов сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн с импульсной мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен киловатт - одна из перспективных задач в области развития электровакуумных СВЧ-приборов. В подобном классе магнетронов автоэлектронные катоды обеспечивают инициирование начала генерации на каждом импульсе модулирующего напряжения, а режим генерации поддерживается вторично-эмиссионным катодом, одновременно являющимся активатором автоэлектронного катода. В работе с использованием метода Фаулера - Нордгейма получены электрофизические характеристики нитевидных кристаллов (вискеров), образованных на поверхности автоэлектронных катодов при максимально допустимых интервалах высоковольтного напряжения. Выявлено, что ток автоэлектронной эмиссии формируется за счет вискеров. Установлены условия достижения необходимых для режима генерации высоких токов автоэлектронной эмиссии в магнетроне.

Ключевые слова: электровакуумный СВЧ-прибор, автоэлектронный катод, виске-ры, магнетрон, активирование катода

Для цитирования: Бычков Д. В., Петров В. С., Ли И. П. Расчет параметров нитевидных кристаллов, сформированных на поверхности автоэлектронных катодов магнетронов с безнакальным запуском // Изв. вузов. Электроника. 2025. Т. 30. № 1. С. 7-15. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-7-15. EDN: DRQFCA.

© Д. В. Бычков, В. С. Петров, И. П. Ли, 2025

Original article

Calculation of parameters of filamentous crystals formed on the surface of cold cathodes of magnetrons with instantaneous start-up

D. V. Bychkov1,2, V S. Petroy2,1. P. Li

Moscow Institute of Radio Engineering, Electronics and Automation -Russian Technological University, Moscow, Russia 2JSC Pluton, Moscow, Russia

* [email protected]

Abstract. The development and introduction into mass production of a line of universal magnetrons in the centimeter and millimeter wavelength ranges with a pulse power from several tens to several hundred kilowatts is one of the promising tasks in the field of development of electrovacuum microwave devices. In a similar class of magnetrons, cold cathodes initiate the start of generation at each pulse of the modulating voltage, and the generation mode is supported by a secondary emission cathode, which is simultaneously a cold cathode activator. In this work, using the Fowler - Nordheim method the electrophysical characteristics of the filamentous crystals (whiskers) formed on the surface of the cold cathodes at the maximum permissible high-voltage intervals were obtained. It was revealed that the current of field emission is formed due to whiskers. The performance conditions of high field emission currents necessary for generation mode in magnetron have been established.

Keywords: electric vacuum microwave device, cold cathode, whiskers, magnetron, cathode activation

For citation: Bychkov D. V., Petrov V. S., Li I. P. Calculation of some parameters of filamentous crystals formed on the surface of cold cathodes of magnetrons with instantaneous start-up. Proc. Univ. Electronics, 2025, vol. 30, no. 1, pp. 7-15. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-7-15.

Введение. Техническое назначение малогабаритного импульсного магнетрона (далее - магнетрон) - генерация электромагнитного излучения, используемого в приемопередающей аппаратуре и оборудовании гражданского назначения [1]. Из множества типов магнетронов, отличающихся друг от друга габаритными размерами, частотными, мощностными характеристиками и рядом других эксплуатационных характеристик, особое место занимают магнетроны с автоэлектронным запуском, преимущество которых перед магнетронами с термокатодами заключается в практически мгновенной готовности, составляющей 0,3-0,5 с (у магнетронов с накаливаемым катодом время готовности более 150-180 с). Чрезвычайно важно для применения магнетронов с автоэмиссионным запуском в составе бортовой и аэрокосмической аппаратуры является отсутствие источника питания накала катодно-подогревательных узлов.

Цель настоящей работы - расчет электрофизических характеристик нитевидных кристаллов (вискеров), образованных на поверхности автоэлектронных катодов.

Технологические особенности магнетронов с безнакальным запуском. Для получения глубокого вакуума в приборе проводится штенгельная откачка с прогревом корпуса для удаления исходных газов из объема с последующей термообработкой катода и его активированием. После проведения технологической операции активирования корпус магнетрона армируется магнитостатической системой, обеспечивающей генерацию электромагнитного излучения. Термозапуск возможен за счет термоэлектронной эмиссии, холодный запуск (безнакальный) - за счет автоэлектронной эмиссии.

В ходе активирования катода под действием температуры и электрического поля на торцевой поверхности автоэлектронного катода, выполненной из танталовой фольги, формируется многоострийная структура из вискеров [2]. При тренировке происходит дальнейший рост и формирование стабильной структуры вискеров. Типичное изображение такой структуры получено в растровом электронном микроскопе (РЭМ) при увеличении в 50 тыс. раз (рис. 1). С помощью растровой электронной микроскопии можно оценить геометрические параметры формируемого нитевидного кристалла (см. рис. 1), а результаты рентгеновского микроанализа, представленные на рис. 2, позволяют определить элементный состав эмиттирующей электроны поверхности.

Рис. 1. РЭМ-изображение типичной много-острийной структуры на поверхности

автоэлектронного катода Fig. 1. SEM image of a multi-pointed structure on the surface of a cold cathode

x 0,001 (импульс/с)/эВ

500 400 300 200 100

—h —

— _

1 —г _ — — -

H H Ц

1_ _

—1— = p

la Pd~ — n a у p d — — Гя

— 1= —

TI [ _ - — - - - —r

_ 1- _ — - - 1 - - |

- -г — —

|<W< щ _[_ , i. <11 — к 4 1 —1-

0

6 8 кэВ

10

12

14

Рис. 2. Элементный состав танталового автокатода Fig. 2. The elemental composition of the tantalum cold cathode on the SEM

Эмиссионные параметры магнетронов с безнакальным запуском. Вид вольт-амперной зависимости вакуумного диода плоской конфигурации с автоэлектронным эмиттером определен Р. Фаулером и Л. Нордгеймом [3]. Уравнение Фаулера - Нордге-йма для зависимости тока автоэлектронной эмиссии I одиночного острия (вискера) от непрерывно возрастающего анодного напряжения имеет вид

[lg(/ / U2)]^ = lg[

1,54 -10б AV2 -10

Ф^

,4,52ф-

-] -

2,84-109 S Ф V

1,5

где Ах - суммарная площадь эмиссионных площадок; ц - аспектное отношение, или коэффициент усиления напряженности электрического поля, равный отношению напряженности электрического поля Еп вблизи вершины автоэлектронного эмиттера к напряженности однородного поля Е (ц = Еп/Е); ф - работа выхода электрона; £ - расстояние между автоэлектронным эмиттером и анодом.

Если измеренные значения тока и напряжения одиночного автоэлектронного эмиттера представить в координатах Фаулера - Нордгейма, зависимость 1§(//и2) от 1/и будет иметь вид прямой линии (рис. 3). Прямая линия Фаулера - Нордгейма определяется тангенсом угла наклона к оси абсцисс [4]:

tga =

Alg(I/U2) _ 2,84-109Sф1

А (1/ U) "

ц

(1)

и пересечением с осью ординат в точке с координатой \lg(//U )]

U= да-

[lg(I / U 2)]ulg[

1,54 -106 A-10

ф^

4,52ф~

(2)

Полученная линейная зависимость воспроизводится и при измерениях на одиночном острие. Согласно условиям эксперимента заданы исходное расстояние S эмиттер -анод и работа выхода электрона ф эмиссионных площадок, поэтому наклон этой зависимости дает возможность определить суммарный коэффициент усиления напряженности поля це. Если по уравнению для угла наклона (1) определен коэффициент ц, то при подстановке численного значения этого коэффициента в уравнение (2) для точки пересечения прямой с осью ординат можно рассчитать суммарную площадь эмиссионной поверхности Ае, м2. График ВАХ одиночного острия строится по результатам экспериментального определения измеряемых величин: тока автоэлектронной эмиссии /аэ и анодного напряжения иа. К неизмеряемым относятся величины, полученные расчетом из ВАХ: щ А^; плотность тока автоэлектронной эмиссии, определяемая по формуле j = //Ai (I - измеряемый ток); напряженность электрического поля E, определяемая по формуле Е = PU (U - измеряемое напряжение, в - формфактор).

Результаты и методика их обработки. Термополевое активирование катода проводили в макете прибора в течение 30 мин при иа = 100 В в несколько этапов до достижения значения тока автоэмиссии выше минимально допустимого. После каждого этапа замеряли ток автоэлектронной эмиссии /аэ при комнатной температуре в импульсном режиме (Ua = 0...6,0 кВ; скорость подъема напряжения v = 50 В/с; длительность импульса т = 1,0 мкс; скважность импульса Q = 1000). При анодном напряжении 4,5 кВ процесс прекращали ввиду опасности возникновения пробоя вакуумного промежутка [4]. Полученная ВАХ представлена на рис. 4.

Рис. 3. Теоретическая прямая в координатах Фаулера - Нордгейма Fig. 3. The theoretical straight line in Fowler - Nordheim coordinates

160

140

120

100

<

Л 80

60

40

20

О

А /

у

■ ■ ■ /

У

■ ■

ИМ н

500 1000 1500 2000

и.

2500 , В

3000 3500 4000 4500

Рис. 4. ВАХ магнетрона после разных этапов активирования при анодном потенциале 100 В: 1 - 2,0 А (T = 1010 °C); 2 - 1,95 А (T = 980 °C); 3 - 1,85 А

(T = 940 °C); 4 - 1,8 А (T = 930 °C) Fig. 4. Volt-ampere characteristic of magnetron after different activation stages at anode potential 100 V: 1 - 2,0 A (T = 1010 °C); 2 - 1,95 А (T = 980 °C); 3 - 1,85 А (T = 940 °C); 4 - 1,8 А (T = 930 °C)

Как видно из рис. 4, уровень тока /аэ значительно вырос после достижения значения температуры 1010 °С, а при температуре менее 1010 °С достичь порогового значения !а.э для стабильной работы прибора не удалось. Однако небольшое значение тока !а.э также свидетельствует о начале формирования некоторого количества вискеров.

Для увеличения коэффициента усиления поля ц многоострийные наноразмерные палладиевые структуры выращивали на плоских поверхностях танталовых лезвийных катодов без увеличения их габаритных размеров. Для этого применяли способ вытягивания острий электрическим полем, описанный в работах [5, 6], где показана возможная причина отклонения оси некоторых острий от нормального угла к плоскости танта-лового лезвийного автоэлектронного катода. В работе [6] установлено, что одиночное автоэлектронное острие эффективно работает в качестве полевого электронного эмиттера при напряжении 1,6 кВ, при этом плотность эмиссионного тока может достигать значения ~ 100 А/см . Обнаружено, что в процессе повышения рабочего напряжения нить начинает совершать изгибные механические колебания с возрастанием амплитуды.

ВАХ отражает процессы, происходящие на механической границе вторично-электронной катодной шайбы из порошкового сплава Pd + Рё5Ва и танталовой фольги толщиной несколько микрометров штатного автоэлектронного катода. В связи с тем, что палладий при нагревании способен испаряться в виде слоя двумерного пара, который по механизму «спилловера» преодолевает межфазные границы, на плоской поверхности танталовой фольги образуется конденсат двумерного пара палладия. При анодном потенциале 100 В и температуре 930 °С на поверхности конденсата двумерного пара палладия начинают формироваться наноразмерные острия в условиях «вытягивания» их электрическим полем из выступающих на плоском фоне площадок. «Вытягивание» представляет собой растяжение формирующейся кристаллической фазы из материала конденсата. В таблице приведены значения параметров в экспериментальных точках ВАХ (рис. 5).

Значения параметров в экспериментальных точках ВАХ Parameter values at the experimental points of volt-ampere characteristics

Экспериментальная точка U, В 1/U, 1/B I, мА ln(I/U2)

Ai 1700 6-10-4 0,07 -17,54

A2 2810 3,56-Ю-4 0,31 -17,05

A3 3885 2,57-Ю-4 1,76 -15,96

A4 4500 2,22-Ю-4 7,05 -14,87

Рис. 5. ВАХ в координатах Фаулера - Нордгейма после первого этапа активирования Fig. 5. Volt-ampere characteristic in Fowler - Nordheim coordinates after the first activation stage

Участок А3-А4 характеризует автоэлектронную эмиссию. В точке А3 возникает туннельный эффект, в точке А4 наступает технический предел повышения плотности тока /аэ, выше которого происходит полевое испарение палладия. При запуске с заданной напряженностью в интервале А3-А4 время готовности должно составить не более 0,5 с.

На рис. 6 представлены графики участка А3-А4 в координатах Фаулера - Нордгейма для измерений после каждого этапа термополевого активирования катода. Для удобства расчета значения на оси х умножены на 104. Для нахождения коэффициента наклона k, необходимого для дальнейших расчетов, использовали линейную аппроксимацию данных участков. Из приведенных на рис. 6 графиков следует, что ВАХ имеет наименьший разброс точек в случае, когда температура активирования составляет 980 °С (рис. 6, в). После повышения температуры до 1010 °С (рис. 6, г) прямая имеет больший разброс точек, из чего можно сделать вывод, что дальнейшее повышение температуры приведет к искривлению прямой Фаулера - Нордгейма, а значит, и к росту нестабильности автоэмиссионных параметров.

Для нахождения коэффициента усиления напряженности электрического поля ц воспользуемся уравнением (1) и учтем, что tga = k из полученных уравнений прямой. Тогда уравнение (1) примет вид

2,84 -109 S ф1'5

| =

к

(3)

где S = 5,8^10 м.

In (I/U2) -15,0 -15,2 -15,4 -15,6 -15,8 -16,0 -16,2

V /= (-2,73 104 ±0,07 •10V+(-8,99±0,18)

ъ4^

In (I/U2)

-15,0 -15,2 -15,4

-16,2 -16,4 -16,6

у = (-2,38-104 ± 0,03 104).V+(-9,85 ± 0,08)

VN.

\

чч

2,15 2,2 2,25 2,3 2,35 2,4 2,45 2,5 2,55 \QT/U а

2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,910VU б

In (I/U2) -14,2 -14,4 -14,6 -14,8 -15,0 -15,2 -15,4 -15,6 -15,8 -16,0

у = (-1,19104±0,01 10V+(-11,61 ±0,02)

In (I/U2) -11,8 -12,0 -12,2 -12,4 -12,6 -12,8

-13,0

у = (-4,80 Ю3 ± 0,07- 103)х+(-10,65 ± 0,02)

ч \ "о. Ч

Ч \

2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 10H/U в

2,0

2,5

3,0 3,5 г

4,0 10 4/U

Рис. 6. Измерение тока автоэлектронных катодов для участка А3-А4 после активирования в разных режимах: а - ток накала /н = 1,80 А, Т ~ 930 °С; б - 1н = 1,85 А, Т ~ 940 °С; в - 1н = 1,95 А,

Т ~ 980 °С; г - /н = 2 А, Т ~ 1010 °С Fig. 6. Measurement of field emission current for sections A3-A4 after different modes of activation: a - heating current Ih = 1,80 А, Т ~ 930 °С; b - Ih = 1,85 А, Т ~ 940 °С; с - Ih = 1,95 А, Т ~ 980 °С;

d - Ih = 2 А, Т ~ 1010 °С

Подставив численные значения в уравнение (3), получим следующие неизмеряе-мые значения ц: 7,57А02 (рис. 6, а); 8,67-102 (рис. 6, б); 1,73-103 (рис. 6, в); 4,31-103 (рис. 6, г).

Для расчета суммарной площади эмиссионных площадок Ае, участвующих в появлении и поддержании тока /а.э, воспользуемся уравнением (2). Предположим, что рабочей поверхностью является плоскость граней (111), работа выхода электрона ф для

палладия равна 5,4 эВ [7]. Тогда значения суммарной площади эмиссионных площадок

_2 _12 2

Ае для каждого случая активирования равны: 2,91-10 м (рис. 6, а); 1,24-10 м

(рис. 6, б); 2,14А0-13 м2 (рис. 6, в); 5,56-10-13 м2 (рис. 6, г).

Повышение надежности запуска состоит в увеличении аспектного отношения

штатного танталового автоэлектронного эмиттера лезвийного типа, которое составляет

ц = 32. Суммарный коэффициент усиления поля цх после выращивания многоострий-

ных палладиевых структур на обеих сторонах четырех плоских поверхностей штатных

лезвийных катодов, определенный по методике Латама, равен 4,31-10 .

Заключение. С помощью метода Фаулера - Нордгейма получены электрофизические характеристики семейства нитевидных кристаллов при максимально допустимых для данной конструкции интервалов высоковольтного напряжения. С повышением температуры активирования коэффициент усиления напряженности электрического поля ц возрастает, а суммарная площадь эмиссионных площадок А^ уменьшается. Это, вероятно, связано с «выгоранием» некоторого числа вискеров на единицу площади. Однако увеличение значения тока автоэлектронной эмиссии /аэ до 160 мА может свидетельствовать об изменении геометрических размеров и/или о наличии процесса регенерации вискеров.

В результате формирования многоострийной палладиевой структуры на поверхностях штатных лезвийных катодов суммарный коэффициент усиления напряженности электрического поля увеличился в соответствии с соотношением ц^: цисх = 4,31-10 :32 (где цисх - исходный коэффициент усиления напряженности электрического поля), т. е. практически в 135 раз. Именно поэтому в магнетроне достигаются высокие токи автоэлектронной эмиссии, необходимые для режима генерации.

Литература

1. Науменко В. Д. Современное состояние разработок магнетронов миллиметрового диапазона волн: обзор // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2017. Т. 60. № 4 (658). С. 181-205. https://doi.org/10.20535/ S002134701704001X. - EDN: ZQMSKD.

2. Пат. 2494489 РФ. Магнетрон с безнакальным запуском со специальным активированием автоэлектронных катодов / И. П. Ли, С. В. Комиссарчик, Н. Д. Лифанов; заявл. 10.02.2012; опубл. 27.09.2013; Бюл. № 27. 12 с. EDN: TEOSET.

3. Фурсей Г. Н. Автоэлектронная эмиссия. СПб.: Лань, 2012. 320 с. EDN: QKAEVD.

4. Латам Р. Вакуумная изоляция установок высокого напряжения: пер. с англ. М.: Энергоатомиз-дат, 1985. 187 с.

5. Павлов А. А., Рабинович А. А., Шредник В. Н. Обнаружение вытягивания острий электрическим полем // Письма в ЖЭТФ. 1973. Т. 17. Вып. 5. С. 247-250.

6. Лупехин С. М., Ибрагимов А. А. О некоторых особенностях полевой электронной эмиссии одиночной углеродной нити с наноструктурной эмиссионной поверхностью // ЖТФ. 2012. Т. 82. № 1. С. 120-125. EDN: RCUIGL.

7. Арефьева Л. П., Шебзухова И. Г. Работа выхода электрона и поверхностная энергия ОЦК-и ГЦК-модификаций 4d- и 5d-металлов // Физика твердого тела. 2016. Т. 58. № 7. С. 1249-1253. EDN: XAXPYJ.

References

1. Naumenko V. D. Survey of existing designs of millimeter wave band magnetrons. Radioelectron. Commun. Syst., 2017, vol. 60, iss. 4, pp. 141-160.

2. Li I. P., Komissarchik S. V., Lifanov N. D. Magnetron with selfheated startup with special activation of field-emission cathodes. Patent 2494489 RF, publ. 10.02.2012, Bul. no. 27. 12 p. (In Russian). EDN: TEOSET.

3. Fursey G. N. Field-electron emission. St. Petersburg: Lan' Publ., 2012. 320 p. (In Russian). EDN: QKAEVD.

4. Latham R. High voltage vacuum insulation: The physical basis. London: Academic Press, 1981. 245 p.

5. Pavlov A. A., Rabinovich A. A., Shrednik V. N. Detection of elongation of spikes by an electric field. Pis 'ma v ZhETF = Letters to the JETP, 1973, vol. 17, iss. 5, pp. 247-250. (In Russian).

6. Lupekhin S. M., Ibragimov A. A. Field emission of electrons from a single carbon fiber with a nanostructured emitting surface. Tech. Phys., 2012, vol. 57, pp. 119-123. https://doi.org/10.1134/ S1063784212010161

7. Aref'eva L. P., Shebzukhova I. G. Electron work function and surface energy of body-centered and face-centered cubic modifications of 4d- and 5d-metals. Phys. Solid State, 2016, vol. 58, iss. 7, pp. 1289-1294. https://doi.org/10.1134/S1063783416070040

Информация об авторах

Бычков Даниил Владимирович - аспирант кафедры наноэлектроники Московского института радиотехники, электроники и автоматики - Российский технологический университет (Россия, 119454, г. Москва, пр-т Вернадского, 78), ведущий инженер-технолог АО «Плутон» (Россия, 105120, г. Москва, ул. Нижняя Сыромятническая, 11), [email protected]

Петров Владимир Семенович - кандидат технических наук, инженер-технолог АО «Плутон» (Россия, 105120, г. Москва, ул. Нижняя Сыромятническая, 11), [email protected]

Ли Илларион Павлович - доктор технических наук, заместитель генерального директора по научно-технологическому развитию АО «Плутон» (Россия, 105120, г. Москва, ул. Нижняя Сыромятническая, 11), [email protected]

Information about the authors

Daniil V. Bychkov - PhD student of the Nanoelectronics Department, Moscow Institute of Radio Engineering, Electronics and Automation - Russian Technological University (Russia, 119454, Moscow, Vernadsky ave., 78), Leading Process Engineer, JSC Pluton (Russia, 105120, Moscow, Nizhnyaya Syromyatnicheskaya st., 11), [email protected]

Vladimir S. Petrov - Cand. Sci. (Eng.), Process Engineer, JSC Pluton (Russia, 105120,

Moscow, Nizhnyaya Syromyatnicheskaya st., 11), [email protected]

Illarion P. Lee - Dr. Sci. (Eng.), Deputy General Director for Scientific and Technological Development, JSC Pluton (Russia, 105120, Moscow, Nizhnyaya Syromyatnicheskaya st., 11), [email protected]

Поступила в редакцию / Received 09.02.2024 Поступила после рецензирования / Revised 16.09.2024 Принята к публикации / Accepted 11.12.2024

/-\

Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»

Подписку на электронную версию журнала можно оформить на сайтах:

• Научной электронной библиотеки: https://www.elibrary.ru

• ООО «Агентство «Книга-Сервис»: https://www.rucont.ru;

https://www.akc.ru; http s ://www.pres sa-rf. ru

• ООО «Урал-Пресс Округ»: https://www.delpress.ru

• 000«ИВИС»: https://www.ivis.ru

\___/