RU2544830C1 - Method for recovery of powerful vacuum shf-device of gyrotron type - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: method includes cathode processing by ion flow and control of emission current measurement at cathode in process of ion-beam processing. Gyrotron is equipped with inert gas puffing and degassing systems, pressure p_i of inert gas is set so that inequality p_min<p_i<10^-5-10^-4 Torr is met, where p_min is minimum pressure of inert gas, at that required time of ion-beam processing has maximum value, filament voltage is supplied to cathode and filament power is set as P≤P_s, where P_s is standard cathode glow, anode voltage is connected and its values is set, ionic processing is made at selected anode voltage and switched on magnetic field.

EFFECT: simplifying the recovery method and expanding its scope of application.

5 dwg

Description

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам реставрации мощных СВЧ-устройств, и может быть использовано для восстановления эксплуатационных характеристик приборов гиротронного типа, деградация которых обусловлена ухудшением эмиссионных характеристик катода в процессе их работы.The invention relates to electronic equipment, and in particular to methods of restoration of high-power microwave devices, and can be used to restore the operational characteristics of gyrotron-type devices, the degradation of which is caused by a decrease in the emission characteristics of the cathode during their operation.

При эксплуатации мощных гиротронных приборов, используемых для нагрева плазмы современных установок управляемого термоядерного синтеза, для реализации ряда технологических процессов, а также в радиолокации, очень важно обеспечить достаточную величину и высокую однородность потока электронов, эмитированных катодом. Падение тока эмиссии катода препятствует получению больших мощностей в приборах данного типа. Неоднородности эмиссии ведут к ухудшению качества винтового электронного пучка (ВЭП), а также к развитию и усилению паразитных колебаний пространственного заряда в них. В результате падает эффективность приборов данного типа. Устройства гиротронного типа работают, как правило, в отсутствии ограничения тока с катода пространственным зарядом. В этих условиях для создания интенсивного и однородного в поперечном сечении электронного потока изготовители стремятся обеспечить малую работу выхода и высокую однородность работы выхода по поверхности катода. Однако даже катоды, достаточно эффективные и однородные при постановке в прибор, приобретают эмиссионные неоднородности из-за неоднородного загрязнения их поверхности веществами, которые десорбируются с электродов и из-за выработки поверхности катода в процессе эксплуатации под действием ионной и/или электронной бомбардировки. Одновременно уменьшается и их эффективность. Отравление катода в процессе работы, а также развитие эмиссионных неоднородностей его поверхности ведут не только к падению выходной мощности и к уменьшению эффективности, но и к сокращению срока службы этих сложных и дорогостоящих приборов.In the operation of powerful gyrotron devices used to heat the plasma of modern installations of controlled thermonuclear fusion, for the implementation of a number of technological processes, as well as in radar, it is very important to ensure a sufficient value and high uniformity of the electron flux emitted by the cathode. A decrease in the cathode emission current prevents the generation of large powers in devices of this type. Emission inhomogeneities lead to a deterioration in the quality of a helical electron beam (EEP), as well as to the development and amplification of spurious oscillations of the space charge in them. As a result, the efficiency of devices of this type decreases. Gyrotron-type devices operate, as a rule, in the absence of current limitation from the cathode by a space charge. Under these conditions, to create an intense and uniform cross-sectional electron flow, manufacturers seek to provide a small work function and high uniformity of the work function on the cathode surface. However, even cathodes that are quite effective and homogeneous when placed in the device acquire emission inhomogeneities due to inhomogeneous contamination of their surface with substances that are desorbed from the electrodes and due to the development of the cathode surface during operation under the influence of ion and / or electron bombardment. At the same time, their effectiveness decreases. Poisoning of the cathode during operation, as well as the development of emission inhomogeneities of its surface, leads not only to a drop in output power and to a decrease in efficiency, but also to a reduction in the life of these complex and expensive devices.

Известен способ реставрации электровакуумных СВЧ-приборов большой мощности (патент RU №2244979), включающий термическую обработку катода. Термическая обработка позволяет удалить газы, адсорбированные на поверхности катодов и/или обеспечить попадание активного вещества из толщи катода к его поверхности. Это способствует повышению эмиссионной активности катода. Однако для удаления многих видов загрязнений требуется прогрев при температурах, превышающих температуру катода в работающем приборе, что может привести к уменьшению долговечности катода или даже к его разрушению. Прогрев не позволяет полностью восстановить высокую эмиссионную активность катода при характерных для катодов рабочих температурах. Прогревом не удается, как правило, устранить и неоднородности эмиссии.A known method of restoration of high-voltage microwave vacuum devices of high power (patent RU No. 2244979), including heat treatment of the cathode. Heat treatment allows you to remove gases adsorbed on the surface of the cathodes and / or to ensure that the active substance from the thickness of the cathode to its surface. This helps to increase the emission activity of the cathode. However, to remove many types of contaminants, heating is required at temperatures higher than the cathode temperature in a working device, which can lead to a decrease in the cathode life or even to its destruction. Warming up does not allow to completely restore the high emission activity of the cathode at the operating temperatures characteristic of the cathodes. Warming up fails, as a rule, to eliminate the heterogeneity of emission.

Известен способ реставрации мощных СВЧ-приборов гиротронного типа (О.И. Лукша, Г.Г. Соминский, Д.Б. Самсонов, G. Dammertz, В. Piosczyk, M.K. Thumm «Исследование возможностей использования ионной обработки для повышения качества гиротронных катодов», Известия высших учебных заведений, прикладная нелинейная динамика, 2008, т.16, №3, с.129-141) - прототип.A known method of restoration of high-power microwave devices of the gyrotron type (O. I. Luksha, G. G. Sominsky, D. B. Samsonov, G. Dammertz, B. Piosczyk, MK Thumm "Study of the possibilities of using ion processing to improve the quality of gyrotron cathodes" , News of higher education institutions, applied nonlinear dynamics, 2008, v.16, No. 3, p.129-141) - prototype.

В способе-прототипе для реставрации гиротрона катод этого прибора обрабатывают потоком ионов и контролируют изменения эмиссионного тока с катода в процессе ионной обработки. Для осуществления ионной обработки извлеченную из гиротрона катодную систему помещают в специальную вакуумную камеру, подвергающуюся непрерывной откачке и оснащенную системой для испытания катода с геометрией магнетронно-инжекторной пушки (МИП), а также источником потока ионов калия. Источник формирует поток ионов, бомбардирующий локальный участок поверхности катода, установленного в пушке. Катод закрепляют в подвижной подвеске. Его вращение вокруг оси позволяет обеспечить попадание потока ионов из источника на разные участки катода. Исследования, выполненные с наиболее широко используемыми в гиротронах металлопористыми W-Ba катодами, показали, что обработка потоком ионов позволяет увеличить ток эмиссии с катода и повысить его эмиссионную однородность. Проведенные исследования свидетельствует, что обработка может производиться не только ионами калия, но и другими типами ионов, поскольку улучшение эмиссионных характеристик катода связано с удалением под действием ионной бомбардировки загрязнений с его поверхности и/или с изменением структуры приповерхностных слоев катода, а не с появлением в процессе бомбардировки атомов калия на поверхности и в приповерхностных слоях катода. Полученные авторами упомянутой работы-прототипа данные свидетельствуют, что в случае металлопористых W-Ba катодов бомбардировка ионами с энергией 4-5≤W_и≤14-15 кэВ позволяет добиться повышения эмиссионной эффективности обрабатываемого участка.In the prototype method for the restoration of the gyrotron, the cathode of this device is treated with an ion flow and changes in the emission current from the cathode are controlled during ion processing. To carry out ion processing, the cathode system extracted from the gyrotron is placed in a special vacuum chamber subjected to continuous pumping and equipped with a cathode test system with the geometry of the magnetron-injection gun (MIP), as well as a source of potassium ion flux. The source forms an ion flow bombarding a local area of the surface of the cathode mounted in the gun. The cathode is fixed in a movable suspension. Its rotation around the axis makes it possible to ensure that the ion flux from the source enters different parts of the cathode. Studies performed with the most widely used metal-porous W-Ba cathodes in gyrotrons showed that ion flux treatment allows an increase in the emission current from the cathode and an increase in its emission uniformity. Studies show that processing can be carried out not only with potassium ions, but also with other types of ions, since the improvement of the cathode emission characteristics is associated with the removal of contaminants from its surface under the influence of ion bombardment and / or with a change in the structure of the surface layers of the cathode, and not with the process of bombardment of potassium atoms on the surface and in the surface layers of the cathode. The data obtained by the authors of the aforementioned prototype work indicate that in the case of metalloporous W-Ba cathodes, ion bombardment with energies of 4-5≤W _and ≤14-15 keV allows to increase the emission efficiency of the treated area.

В способе-прототипе необходимо использовать вспомогательную технологическую установку, что усложняет его реализацию и является недостатком способа. Недостатком способа-прототипа является и то, что для его реализации необходимо перемещать катод из гиротрона в технологическую установку, а затем устанавливать его обратно в гиротрон. В связи с этим способ-прототип приемлем только для разборных экспериментальных гиротронов, но не может быть применен для реставрации мощных неразборных стандартных приборов. Кроме того, перенос отреставрированного катода при атмосферном давлении из установки, где проводилась его обработка, в гиротрон ведет к понижению его эмиссионной активности. После установки катода в гиротрон требуется дополнительная термообработка катода, которая, как правило, не позволяет полностью восстановить его эмиссионную эффективность и повысить однородность эмиссии, достигнутые во вспомогательной технологической камере.In the prototype method, it is necessary to use an auxiliary technological installation, which complicates its implementation and is a disadvantage of the method. The disadvantage of the prototype method is that for its implementation it is necessary to move the cathode from the gyrotron to the processing unit, and then install it back into the gyrotron. In this regard, the prototype method is acceptable only for collapsible experimental gyrotrons, but cannot be used for the restoration of powerful non-collapsible standard instruments. In addition, the transfer of the restored cathode at atmospheric pressure from the installation where it was processed to the gyrotron leads to a decrease in its emission activity. After installing the cathode in the gyrotron, additional heat treatment of the cathode is required, which, as a rule, does not allow to completely restore its emission efficiency and increase the uniformity of emission achieved in the auxiliary technological chamber.

Технической задачей изобретения является упрощение способа реставрации и одновременно расширение области его применения, обеспечение возможности его использования в стандартных неразборных гиротронах большой мощности.An object of the invention is to simplify the method of restoration and at the same time expand the scope of its application, making it possible to use it in standard non-separable gyrotrons of high power.

Поставленная задача достигается тем, что для осуществления реставрации металлопористого W-Ba катода оснащают гиротрон системами напуска и откачки инертного газа, устанавливают давление р_и инертного газа в гиротроне, удовлетворяющим неравенству p_min<р_и<10^-5-10^-4 Торр, где p_min - минимальное давление инертного газа, при котором необходимое время ионной обработки катода имеет максимально допустимую величину, подают накал на катод и устанавливают мощность накала Р≤P_c, где Р_с - стандартный накал катода, включают анодное напряжение и устанавливают его величину U_a=U_обр из интервала U_min≤U_обр≤U_max, где минимальное напряжение U_min определяется соотношением U_min=(1,5-2,0)W_опт/e, в котором W_опт - оптимальная энергия ионов, бомбардирующих катод, при которой для реставрации катода требуется минимальная доза облучения, е - заряд электрона, а максимальное напряжение U_max есть напряжение, при превышении которого возможны разрядные явления в зазоре катод - анод и/или мощность, переносимая в пучке, превышает значение, которое может быть рассеяно на канале транспортировки и/или на коллекторе, производят ионную обработку катода при избранном напряжении U_a=U_обр и включенном магнитном поле, причем магнитное поле В_к у катода магнетронно-инжекторной пушки (МИП) устанавливают, удовлетворяющим соотношению В_кр<В_к<(1,1-1,5)В_кр, где В_кр - критическое магнитное поле при анодном напряжении U_a=U_обр, устанавливают нарастающее в сторону коллектора магнитное поле, а отношение максимального магнитного поля В_о в канале транспортировки пучка к магнитному полю у катода В_к задают удовлетворяющим условию осаждения электронов пучка на удаленном от катода участке канала транспортировки и/или на коллекторе, периодически при напряжении U_a=U_обр и пониженном накале катода, в условиях, когда реализуется режим температурного ограничения тока с катода, измеряют ток катода I_T и на основании данных о величине I_T, полученных при одном и том же накале катода в разные моменты времени t в процессе его обработки, строят зависимость ограниченного температурой тока I_T от времени тренировки t, прекращают тренировку после того, как скорость изменения тока I_T во времени (dI_T/dt) уменьшается до заданного значения, затем выключают напряжение и магнитное поле, откачивают инертный газ из прибора и обезгаживают гиротрон при значениях мощности накала вплоть до стандартного Р_с.The task is achieved by the fact that for the restoration of the metal-porous W-Ba cathode, the gyrotron is equipped with inert gas injection and pumping systems, the pressure p _and inert gas are set in the gyrotron, satisfying the inequality p _min <p _and <10 ^-5 -10 ^-4 Torr, where p _min - minimum inert gas pressure at which the necessary processing time ionic cathode has the maximum value, is supplied to the cathode glow and the heating power is set R≤P _c, where F _c - standard glow cathode, anode voltage and include We establish dissolved its value U _a = U _mod interval from U _min ≤U _arr ≤U _max, wherein the minimum voltage U _min is given by U _min = (1,5-2,0) W _opt / e, wherein W _opt - optimum energy of ions bombarding the cathode, at which the minimum radiation dose is required for cathode restoration, e is the electron charge, and the maximum voltage U _max is the voltage above which discharge phenomena in the cathode – anode gap and / or the power transferred in the beam are possible exceed the value that can be scattered on the transportation channel and / or on the collector, DYT ionic processing cathode at a chosen voltage U _a = U _mod and switched magnetic field, the magnetic field at the cathode in _a magnetron injection gun (UIM) is set to meet the relation In _cr <B _k <(1.1-1.5) In _cr , where B _cr is the critical magnetic field at the anode voltage U _a = U _arr , a magnetic field increasing towards the collector is established, and the ratio of the maximum magnetic field B _о in the beam transport channel to the magnetic field at cathode B _{k is} set satisfying the electron deposition condition beam far from cat Ode to the section of the transportation channel and / or to the collector, periodically at a voltage U _a = U _ar and a low cathode glow, under conditions when the temperature limitation mode of the current from the cathode is implemented, the cathode current I _{T is} measured and based on the data on the value of I _T obtained with the same cathode glow at different times t during its processing, the dependence of the current limited by temperature I _T on the training time t is built, the training is stopped after the rate of change of current I _T in time (dI _T / dt) decreases to given value Ia, then turn off the voltage and the magnetic field, the inert gas is evacuated from the apparatus and degassed at values gyrotron heater power up to the standard _with P.

Предлагаемый способ имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом. Он проще в реализации и может быть использован для реставрации металлопористых W-Ba катодов в стандартных мощных неразборных гиротронах.The proposed method has significant advantages compared with the prototype. It is easier to implement and can be used for the restoration of metal-porous W-Ba cathodes in standard high-power non-separable gyrotrons.

Рассмотрим примеры реализации предлагаемого способа. Поясняют результаты экспериментов и расчетов, выполненных для проверки возможности реализации способа, Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4 и Фиг.5. На Фиг.1 приведена зависимость сечения ионизации σ_и атомов аргона электронным ударом от энергии электронов. На Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4 и Фиг.5 приведены рассчитанные траектории электронов, а также линии постоянного потенциала U (пунктирные линии) в различных режимах работы экспериментального гиротрона (при разных значениях анодного напряжения U_a, тока катода I и разных распределениях индукции магнитного поля B(Z) вдоль оси Z. На всех фигурах а - область магнетронно-инжекторной пушки (МИП), б - участок канала транспортировки, показанный до места осаждения пучка электронов на канале и/или на коллекторе. Здесь В_к и В_о соответственно значения магнитного поля на катоде и в максимуме распределения B(Z). На Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3 приведены данные, полученные в режимах, близких к критическому, в МИП, т.е. в режимах, когда магнитное поле в МИП близко по величине к В_кр. Фиг.2 иллюстрирует результаты расчетов при U_a=15 кВ, I=1 А, В_о=0.132 Тл, В_о/В_к=2.97. На Фиг.3 данные получены при U_a=12 кВ. Остальные параметры те же, что и на Фиг.2. На Фиг.4 данные получены при U_a=10.5 кВ и В_о=0.117 Тл. Остальные параметры такие же, как на Фиг.2. Фиг.5 иллюстрирует характеристики, полученные для рабочего режима гиротрона U_a=30 кВ, I=10 А, В_о=2.75 Тл, В_о/В_к=17.06.Consider examples of the implementation of the proposed method. Explain the results of experiments and calculations performed to verify the feasibility of the method, Fig.1, Fig.2, Fig.3, Fig.4 and Fig.5. Figure 1 shows the dependence of the ionization cross section σ _and argon atoms by electron impact on electron energy. Figure 2, Figure 3, Figure 4 and Figure 5 show the calculated electron trajectories, as well as the lines of constant potential U (dashed lines) in different operating modes of the experimental gyrotron (for different values of the anode voltage U _a , cathode current I and different distributions of the magnetic induction B (Z) along the axis Z. In all the figures a - region magnetron injection gun (IIP), - a portion of the transport channel, shown to an electron beam deposition position on the channel and / or on the collector where B _k. and B _about, respectively, the magnetic field the cathode and at the maximum distribution B (Z). Fig. 1, Fig. 2 and Fig. 3 show the data obtained in the modes close to critical in the MIP, i.e., in the modes when the magnetic field in the MIP is close to the value of k _Cr . Figure 2 illustrates the results of calculations at U _a = 15 kV, I = 1 A, B _o = 0.132 T, B _o / V _k = 2.97. In Fig. 3, the data were obtained at U _a = 12 kV. The remaining parameters are the same as in Figure 2. In Figure 4, the data were obtained at U _a = 10.5 kV and B _about = 0.117 T. The remaining parameters are the same as in FIG. 2. Figure 5 illustrates the characteristics obtained for the operating mode of the gyrotron U _a = 30 kV, I = 10 A, B _about = 2.75 T, B _about / In _to = 17.06.

При первоначальной проверке реализуемости способа реставрации было исследовано влияние бомбардировки ионами калия на эмиссионную активность (работу выхода) локальных участков поверхности металлопористых W-Ba катодов. Измерения выполнялись в специальной вакуумной камере в статическом режиме. Для контроля воздействия ионной бомбардировки при температурном ограничении эмиссии измерялись изменения во времени тока эмиссии с бомбардируемого участка катода. Воздействие ионной бомбардировки на эмиссионную активность катода зависело от энергии ионов и от величины дозы облучения ионами. Бомбардировка ионами с энергией 4-5≤W_и≤14-15 кэВ приводила к увеличению эмиссионной активности (к снижению работы выхода бомбардируемого участка). Воздействие бомбардировки было максимально эффективно при оптимальной энергии ионов W_и=W_опт~8-9 кэВ. При таких энергиях ток эмиссии с бомбардируемого локального участка катода увеличивался до некоторого максимального значения при минимальной удельной дозе облучения ~10 мкА·мин/см². Продолжение бомбардировки практически не меняло эмиссионной активности этого участка. При оптимальной энергии ионов W_опт~8-9 кэВ и плотности тока ионов на катод ~0,25 мкА/см² максимальная активировка достигалась приблизительно через 60 мин. При обработке катода ионами с энергией меньше или больше оптимального значения, для получения максимальной активировки требовалась большая доза облучения. Наибольшее увеличение плотности тока эмиссии с обрабатываемого участка катода зависело от начальной эффективности (работы выхода) этого участка и достигало 40-100%. Продолжительная выдержка катода при температурах от 700-800°C вплоть до рабочей, при которых происходит испарение атомов калия с поверхности катода, практически не меняла уровня эмиссионной активности обработанного потоком ионов участка. Отсюда можно сделать вывод, что достигнутое повышение плотности тока эмиссии с данного участка обусловлено действием потока ускоренных ионов и не является следствием осаждения атомов калия на катод. Отсюда можно также сделать вывод, что для реставрации катода могут быть использованы не только ионы калия, но и ионы другого сорта, в частности ионы инертных газов.During the initial verification of the feasibility of the restoration method, the effect of potassium ion bombardment on the emission activity (work function) of local surface areas of metal-porous W-Ba cathodes was investigated. The measurements were carried out in a special vacuum chamber in a static mode. To control the effect of ion bombardment under a temperature-limited emission, the time-dependent changes in the emission current from the bombarded section of the cathode were measured. The effect of ion bombardment on the emission activity of the cathode depended on the energy of the ions and on the dose of ions. The bombardment by ions with energies of 4-5≤W _and ≤14-15 keV led to an increase in emission activity (to a decrease in the work function of the bombarded area). The impact of the bombardment was most effective at the optimum ion energy W _and = W _opt ~ 8-9 keV. At such energies, the emission current from the bombarded local portion of the cathode increased to a certain maximum value with a minimum specific radiation dose of ~ 10 μA · min / cm ² . The continuation of the bombing practically did not change the emission activity of this site. At the optimum ion energy W _opt ~ 8-9 keV and the ion current density to the cathode ~ 0.25 μA / cm ^{2, the} maximum activation was achieved after about 60 minutes. When treating the cathode with ions with energies less than or greater than the optimal value, a large dose of radiation was required to obtain maximum activation. The largest increase in the emission current density from the treated cathode section depended on the initial efficiency (work function) of this section and reached 40-100%. Prolonged exposure of the cathode at temperatures from 700-800 ° C up to the working one, at which the evaporation of potassium atoms from the cathode surface practically did not change the level of emission activity of the site treated by the ion flux. From this we can conclude that the achieved increase in the emission current density from this section is due to the action of the stream of accelerated ions and is not a consequence of the deposition of potassium atoms on the cathode. From this we can also conclude that for the restoration of the cathode not only potassium ions can be used, but also ions of a different kind, in particular ions of inert gases.

В работающем гиротроне из-за ионизации остаточного газа электронами, испускаемыми с катода, катод подвергается бомбардировке положительными ионами остаточных газов. Но при давлениях остаточного газа р_о~10^-7-10^-8 Торр, типичных для стандартных гиротронов, по проведенным оценкам плотность потока ионов на катод не превышает 10^-9-10^-10 А/см². Бомбардировка катода столь малым по плотности потоком ионов остаточного газа не предотвращает его деградацию в процессе работы. Плотность ионного тока на катод можно было бы повысить, увеличив давление остаточного газа в гиротроне. Однако при повышенных давлениях происходит отравление металлопористых W-Ba катодов из-за взаимодействия компонентов покрытия с химически активными остаточными газами. Достаточно большие потоки ионов на катод, необходимые для его обработки, можно обеспечить при повышенных давлениях инертного газа (например, аргона) в гиротроне. Инертные газы не отравляют покрытие катода. Поэтому при работе в атмосфере инертных газов можно повышать давление этих газов в гиротроне ориентировочно до 10^-4-10^-5 Торр. При больших давлениях возможно зажигание сильноточного разряда в высоковольтном зазоре между катодом и анодом, что недопустимо, так как приводит к интенсивному газовыделению с анода и даже к испарению вещества анода, а вследствие этого - к загрязнению катода десорбированными газами и продуктами испарения с анода.In a working gyrotron, due to the ionization of the residual gas by the electrons emitted from the cathode, the cathode is bombarded with positive ions of the residual gases. But at residual gas pressures p _o ~ 10 ^-7 -10 ^-8 Torr, typical of standard gyrotrons, according to estimates, the density of the ion flux to the cathode does not exceed 10 ^-9 -10 ^-10 A / cm ² . The bombardment of the cathode by such a low density ion stream of residual gas does not prevent its degradation during operation. The density of the ion current to the cathode could be increased by increasing the pressure of the residual gas in the gyrotron. However, at elevated pressures, the poisoning of metal-porous W-Ba cathodes occurs due to the interaction of the coating components with chemically active residual gases. Sufficiently large flows of ions to the cathode, necessary for its processing, can be provided at elevated pressures of an inert gas (for example, argon) in the gyrotron. Inert gases do not poison the cathode coating. Therefore, when working in an atmosphere of inert gases, it is possible to increase the pressure of these gases in the gyrotron to approximately 10 ^-4 -10 ^-5 Torr. At high pressures, it is possible to ignite a high-current discharge in the high-voltage gap between the cathode and the anode, which is unacceptable, since it leads to intense gas evolution from the anode and even to evaporation of the anode material, and, as a result, to contamination of the cathode with desorbed gases and evaporation products from the anode.

В отсутствие магнитного поля после подачи анодного напряжения U_a анод подвергается бомбардировке потоком электронов с катода и катод может быть загрязнен продуктами с анода, десорбированными под действием электронной бомбардировки. Такое загрязнение можно свести к допустимому минимуму, если, исключив интенсивную электронную бомбардировку анода, осаждать электроны с катода на удаленном участке канала транспортировки электронного пучка и/или на коллекторе. Как следует из исследования устройств со скрещенными полями магнетронного типа, в условиях, когда можно пренебречь влиянием процессов в пространственном заряде, чтобы избежать бомбардировки анода электронами с катода, магнитное поле у катода В_к должно превышать критическое значение В_кр, при котором траектории электронов с катода касаются анода. В условиях, когда процессами в пространственном заряде пренебречь нельзя, падение электронного тока на анод (отсечка анодного тока) происходит в довольно широком интервале значений магнитного поля у катода В_кр<В_к≤1,5 В_кр. Введение удовлетворяющего этому соотношению магнитного поля у катода МИП, а также нарастающего в сторону коллектора магнитного поля на участке транспортировки электронного пучка позволяет практически исключить бомбардировку анода МИП и осаждать электроны на удаленном участке канала транспортировки пучка электронов и/или на коллекторе, что позволяет свести к допустимому минимуму поток десорбированных продуктов на катод.In the absence of a magnetic field after the anode voltage U _a anode is bombarded by a flow of electrons from the cathode and the cathode may be contaminated products from the anode desorbed by the action of electron bombardment. Such contamination can be minimized if, by excluding intense electron bombardment of the anode, electrons are deposited from the cathode in a remote section of the electron beam transport channel and / or on the collector. As follows from the study of devices with magnetron-type crossed fields, under the conditions where the influence of processes in the space charge can be neglected in order to avoid bombardment of the anode by electrons from the cathode, the magnetic field at the cathode B _k must exceed the critical value B _kr , at which the electron paths from the cathode touch the anode. Under the conditions when the processes in the space charge cannot be neglected, the incidence of the electron current at the anode (cutoff of the anode current) occurs in a rather wide range of magnetic field values at the cathode V _cr <V _to ≤1.5 V _cr . The introduction of a magnetic field satisfying this relation at the MIP cathode, as well as a magnetic field growing towards the collector in the electron beam transport section, can practically eliminate the bombing of the MIP anode and deposit electrons in a remote section of the electron beam transport channel and / or on the collector, which allows reducing minimize the flow of desorbed products to the cathode.

Оценить степень восстановления эмиссионной эффективности гиротронного катода можно, периодически измеряя в процессе ионной обработки ток с катода I_T в режиме температурного ограничения эмиссии с катода. Уменьшение скорости изменения этого тока во время t ионной обработки является свидетельством повышения его эмиссионной эффективности. Выход в насыщение зависимости I_T(t), измеряемой при фиксированных значениях мощности накала Р и анодного напряжения в режиме температурного ограничения эмиссии, свидетельствует о возможности завершить ионную обработку.The degree of restoration of the emission efficiency of the gyrotron cathode can be estimated by periodically measuring the current from the cathode I _T in the process of ion treatment in the temperature limit mode of emission from the cathode. A decrease in the rate of change of this current during t ion processing is evidence of an increase in its emission efficiency. The saturation yield of the dependence I _T (t), measured at fixed values of the glow power P and the anode voltage in the temperature-limited emission mode, indicates the possibility of completing the ion treatment.

При осуществлении ионной обработки катода в стандартном гиротроне важно иметь возможность контролировать не только изменение величины тока с катода, но и изменения наиболее вероятного значения работы выхода еφ₀, а также величины разброса σ значений работы выхода по поверхности катода. Для контроля изменения величин еφ₀ и σ в процессе ионной обработки катода можно воспользоваться методикой, описанной в работе J.P. Anderson, S.E. Korbly, R.J. Temkin, M.A. Shapiro, IEEE Trans. On Plasma Science., 2002, v.30, N06, p.2117-2123. В этой работе приведено выражение, описывающее зависимость плотности тока эмиссии j с катода от еφ₀ и σ:When performing ion processing of the cathode in a standard gyrotron, it is important to be able to control not only the change in the current value from the cathode, but also the changes in the most probable value of the work function eφ ₀ , as well as the magnitude of the spread σ of the values of the work function on the cathode surface. To control the changes in the values of eφ ₀ and σ during the ion processing of the cathode, one can use the technique described by JP Anderson, SE Korbly, RJ Temkin, MA Shapiro, IEEE Trans. On Plasma Science., 2002, v.30, N06, p. 217-2123. This work shows expression describing the dependence of the emission current density j from the cathode by eφ ₀ and σ:

Здесь K - первеанс МИП, A₀ - постоянная Ричардсона, Т - температура катода, ε₀ - электрическая постоянная, k - постоянная Больцмана, Е - электрическое поле у поверхности катода, φ_T - величина с размерностью работы выхода, определяемая равенствомHere K - IIP perveance, A ₀ - Richardson constant, T - temperature of the cathode, ε ₀ - dielectric constant, k - Boltzmann constant, E - electric field at the cathode surface, φ _T - value with the dimension of the work function, defined by the equation

где напряжение U_a=U_T соответствует границе между участком вольт-амперной характеристики, где реализуется ограничение тока пространственным зарядом, и областью этой характеристики, где ток ограничен температурой катода.where the voltage U _a = U _T corresponds to the boundary between the portion of the current-voltage characteristic, where the current is limited by the spatial charge, and the region of this characteristic, where the current is limited by the temperature of the cathode.

Значения еφ₀ и σ рассчитываются на основании этой зависимости с использованием измеренных экспериментально при разных накалах катода вольт-амперных характеристик. Расчет еφ₀ и σ позволяет определить допустимые изменения тока эмиссии катода, регистрируемого во время его ионной обработки.The values of eφ ₀ and σ are calculated on the basis of this dependence using the current-voltage characteristics measured experimentally at different cathode glows. Calculation of eφ ₀ and σ allows one to determine the permissible changes in the emission current of the cathode, recorded during its ion processing.

Чтобы оценить возможность реставрации металлопористого W-Ba катода под действием ионной бомбардировки, рассчитаем плотность потока ионов аргона на катод при повышенном давлении аргона в гиротроне. Расчет проведем для гиротрона с геометрией МИП и катодом, имеющим геометрию, типичную для стандартных гиротронов большой мощности. Определим плотность тока ионов с энергиями от 4 до 9 кэВ, которые эффективно активируют катод. Ионы аргона, возникшие в точке с потенциалом U, двигаются к катоду и попадают на его поверхность с энергией eU. Плотность потока ионов на катод с энергиями от 4 до 9 кэВ определяется соотношениемIn order to assess the possibility of restoration of a metal-porous W-Ba cathode under the influence of ion bombardment, we calculate the density of the flow of argon ions to the cathode at an increased argon pressure in the gyrotron. We will calculate for a gyrotron with MIP geometry and a cathode having a geometry typical of standard high-power gyrotrons. We determine the current density of ions with energies from 4 to 9 keV, which effectively activate the cathode. Argon ions arising at a point with potential U move to the cathode and fall on its surface with energy eU. The density of the ion flux to the cathode with energies from 4 to 9 keV is determined by the ratio

где r₄ и r₉ - радиальные координаты в пространстве между катодом и анодом, соответствующие потенциалам 4 и 9 кВ, n_Ar - концентрация атомов аргона, n и v_e - соответственно концентрация и скорость электронов, производящих ионизацию, σ_и - сечение ионизации аргона электронами со скоростью v_e, j_e - плотность тока электронов, производящих ионизацию, определяемая соотношениемwhere r ₄ and r ₉ are the radial coordinates in the space between the cathode and the anode corresponding to potentials of 4 and 9 kV, n _Ar is the concentration of argon atoms, n and v _e are the concentration and speed of the electrons producing ionization, σ _and are the argon ionization cross sections electrons with a speed v _e , j _e is the current density of electrons producing ionization, determined by the ratio

Зависимость сечения ионизации аргона от энергии электронов, необходимая для расчета плотности потока ионов на катод, показана на Фиг.1.The dependence of the argon ionization cross section on the electron energy necessary for calculating the ion flux density to the cathode is shown in FIG.

На Фиг.2-4 приведены рассчитанные траектории электронов и характеристики распределения потенциала в магнетронно-инжекторной пушке (МИП) и в прилегающей области канала транспортировки пучка электронов в режимах, близких к критическому в МИП. На Фиг.5 для сравнения показаны те же характеристики, полученные в типичном для мощного гиротрона закритическом режиме, когда траектории электронов в МИП в большей степени прижаты к катоду. Из проведенных расчетов можно сделать следующие выводы об особенностях режима, близкого к критическому, когда магнитное поле у катода МИП удовлетворяет соотношению В_кр<В_к≤1,5 В_кр:Figure 2-4 shows the calculated electron trajectories and characteristics of the potential distribution in the magnetron-injection gun (MIP) and in the adjacent region of the channel for transporting the electron beam in modes close to critical in the MIP. Figure 5 for comparison shows the same characteristics obtained in the supercritical mode typical of a high-power gyrotron, when the electron trajectories in the MIP are pressed to a greater extent to the cathode. From the calculations lead to the following conclusions about the mode is particularly close to critical, when the magnetic field at the cathode in the IPI satisfies _cr <B _to ≤1,5 in _Kyrgyzstan:

- При напряжениях U_a≥V_min=(1,5-2,0)W_опт/e траектории электронов приблизительно параллельны в зазоре между катодом и анодом МИП с потенциалами до 8-9 кВ и это свидетельствует о том, что плотность тока электронов с катода слабо меняется на указанном участке с удалением от катода. Плотность тока электронов на этом участке j_e≈I_к/S_э, где I_к - ток катода, а S_э - площадь его эмитирующей поверхности. В этих условиях эмитирующий участок катода достаточно однородно бомбардируется ионами с энергиями W_и≤8-9 кэВ.- At voltages _{U a ≥V min = (1,5-2,0)} W _opt / e electron trajectories are approximately parallel to the gap between the cathode and anode potentials UIM with up to 8-9 kV, and this indicates that the electron current density from the cathode changes slightly in the indicated section with distance from the cathode. The electron current density in this region is j _e ≈I _k / S _e , where I _k is the cathode current and S _e is the area of its emitting surface. Under these conditions, the emitting section of the cathode is rather uniformly bombarded by ions with energies W _and ≤8–9 keV.

- Полученные данные о распределении потенциала в потоке электронов, движущемся от катода к аноду, а также сведения о зависимости сечения ионизации от энергии электронов (см. Фиг.1) позволяют рассчитать значения сечения ионизации ионов, бомбардирующих катод. Сечение ионизации атомов аргона электронным ударом имеет величину ~1,3·10^-17 см² для электронов с энергией 9 кэВ и монотонно увеличивается с уменьшением энергии электронов, достигая при энергии 4 кэВ значения ~2,8·10^-17 см².- The obtained data on the distribution of potential in the electron stream moving from the cathode to the anode, as well as information on the dependence of the ionization cross section on the electron energy (see Figure 1), allows us to calculate the ionization cross-section of the ions bombarding the cathode. The cross section for ionization of argon atoms by electron impact has a value of ~ 1.3 · 10 ^-17 cm ² for electrons with an energy of 9 keV and monotonically increases with decreasing electron energy, reaching values of ~ 2.8 · 10 ^-17 cm ² at an energy of 4 keV.

В рассчитанном закритическом режиме (Фиг.5а, 5б) все траектории электронов в области МИП, из которой осуществляется ионная бомбардировка эмитирующей поверхности катода, сосредоточены в области с потенциалами от 0 приблизительно до 4,5 кВ, даже при повышенном напряжении на аноде (30 кВ). Поэтому в таком режиме катод бомбардируется электронами с энергиями W_и≤4,5 кэВ, недостаточными для эффективной его обработки. Использование напряжений свыше 30 кВ позволяет увеличить максимальные энергии бомбардирующих катод ионов. Однако при этом уменьшается электрическая прочность зазора катод - анод, и в результате затрудняется ионная обработка катода в статическом режиме. Кроме того, с ростом напряжения увеличивается мощность, выделяемая электронным пучком в месте его осаждения на канал транспортировки и/или коллектор.In the calculated supercritical mode (Figs. 5a, 5b), all electron paths in the MIP region, from which the ion bombardment of the emitting cathode surface is carried out, are concentrated in the region with potentials from 0 to approximately 4.5 kV, even with an increased voltage at the anode (30 kV ) Therefore, in this mode, the cathode is bombarded by electrons with energies W _and ≤4.5 keV, insufficient for its effective processing. The use of voltages above 30 kV allows to increase the maximum energy of the ion bombarding the cathode. However, in this case, the electric strength of the cathode – anode gap decreases, and as a result, the ionic treatment of the cathode in the static mode becomes more difficult. In addition, with increasing voltage, the power released by the electron beam in the place of its deposition on the transport channel and / or collector increases.

Таким образом, проведенные расчеты свидетельствуют, что для обработки катода ионами аргона с энергиями 4≤W_и≤9 кэВ предпочтительно использование режима, близкого к критическому с анодным напряжением U~14-15 кВ, т.е. с напряжением, которое удовлетворяет условию U_a≥U_min=(1,5-2,0)W_опт/e.Thus, the calculations performed indicate that for the treatment of the cathode with argon ions with energies of 4≤W _and ≤9 keV, it is preferable to use the regime close to the critical one with an anode voltage of U ~ 14-15 kV, i.e. with a voltage that satisfies the condition U _a ≥U _min = (1.5-2.0) W _opt / e.

Проведенные расчеты свидетельствуют, что даже при достаточно малых плотностях электронного тока с катода j~10^-2-10^-1 А/см², соответствующих режиму температурного ограничения тока с катода, плотность тока ионов аргона на катод с энергиями 4-9 кэВ, необходимыми для его обработки, должна достигать значений порядка 10^-8-10^-7 А/см² при давлении аргона ~5·10^-5 Торр. С учетом этих данных следует, что для достижения максимального эффекта активировки необходимо в указанных условиях осуществлять бомбардировку катода в течение нескольких часов, что практически вполне выполнимо. Активирование катода можно производить и при меньших давлениях инертного газа, например при давлениях, превышающих всего в 5-10 раз давление остаточного газа, если допустимо увеличение времени ионной обработки, которое возрастает с уменьшением давления.The calculations show that even at sufficiently low electron current densities from the cathode j ~ 10 ^-2 -10 ^-1 A / cm ² corresponding to the temperature limitation of the current from the cathode, the current density of argon ions to the cathode with energies of 4-9 keV is necessary for processing must reach values of the order of 10 ^{-8 to} 10 ^-7 A / cm ² at an argon pressure ~ 5 × 10 ^-5 Torr. Based on these data, it follows that in order to achieve the maximum activation effect, it is necessary under these conditions to bombard the cathode for several hours, which is practically feasible. The cathode can also be activated at lower inert gas pressures, for example, at pressures that are only 5-10 times higher than the residual gas pressure, if an increase in the ion treatment time is permissible, which increases with decreasing pressure.

Таким образом, проведенные эксперименты и расчеты подтверждают возможность реализации предлагаемого способа. Показана возможность реставрации стандартных мощных и неразборных гиротронов в результате обработки гиротронных катодов потоком ионов инертного газа и определена возможность контроля изменения эмиссионных характеристик катода в процессе обработки. Способ достаточно прост и оперативен, позволяет восстановить характеристики мощного неразборного гиротрона, деградировавшие в процессе его эксплуатации из-за ухудшения эмиссионных характеристик катода.Thus, the experiments and calculations confirm the feasibility of the proposed method. The possibility of restoration of standard powerful and non-separable gyrotrons as a result of processing gyrotron cathodes with a stream of inert gas ions is shown and the possibility of controlling changes in the emission characteristics of the cathode during processing is determined. The method is quite simple and operative, allows you to restore the characteristics of a powerful non-separable gyrotron, degraded during its operation due to the deterioration of the emission characteristics of the cathode.

Предлагаемый способ может быть использован и для реставрации гиротронов, работающих не с металлопористыми W-Ba катодами, а с катодами другого типа, например с гексаборид-лантановыми катодами. Кроме того, обработка катодов может производиться ионами не только аргона, но и других инертных газов. При реставрации катодов другого типа и/или с использованием ионов других инертных газов необходимо оптимизировать выбор анодного напряжения и магнитного поля в МИП, а также температуры катода во время ионной обработки.The proposed method can be used for restoration of gyrotrons operating not with metal-porous W-Ba cathodes, but with cathodes of another type, for example, hexaboride-lanthanum cathodes. In addition, cathode processing can be carried out with ions of not only argon, but also other inert gases. When restoring cathodes of a different type and / or using ions of other inert gases, it is necessary to optimize the choice of the anode voltage and magnetic field in the MIP, as well as the temperature of the cathode during ion processing.

Claims (1)

Способ реставрации мощных вакуумных СВЧ-приборов гиротронного типа, в котором обрабатывают катод потоком ионов и контролируют изменения эмиссионного тока с катода в процессе ионной обработки, отличающийся тем, что оснащают гиротрон системами напуска и откачки инертного газа, устанавливают давление р_и инертного газа в гиротроне удовлетворяющим неравенству p_min<p_и<10^-5-10^-4 Торр, где p_min - минимальное давление инертного газа, при котором необходимое время ионной обработки катода имеет максимально допустимую величину, подают накал на катод и устанавливают мощность накала P≤P_c, где P_с - стандартный накал катода, включают анодное напряжение и устанавливают его величину U_a=U_обр из интервала U_min≤U_обр≤U_max, где минимальное напряжение U_min определяется соотношением U_min=(1,5-2,0)W_опт/e, в котором W_опт - оптимальная энергия ионов, бомбардирующих катод, при которой для реставрации катода требуется минимальная доза облучения, е - заряд электрона, а максимальное напряжение U_max есть напряжение, при превышении которого возможны разрядные явления в зазоре катод - анод и/или мощность, переносимая в пучке, превышает значение, которое может быть рассеяно на канале транспортировки и/или на коллекторе, производят ионную обработку катода при избранном напряжении U_a=U_обр и включенном магнитном поле, причем магнитное поле B_к у катода магнетронно-инжекторной пушки (МИП) устанавливают, удовлетворяющим соотношению B_кр<B_к<(1,1-1,5)B_кр, где B_кр - критическое магнитное поле при анодном напряжении U_a=U_обр, устанавливают нарастающее в сторону коллектора магнитное поле, а отношение максимального магнитного поля B_о в канале транспортировки пучка к магнитному полю у катода B_к задают удовлетворяющим условию осаждения электронов пучка на удаленном от катода участке канала транспортировки и/или на коллекторе, периодически при напряжении U_a=U_обр и пониженном накале катода, в условиях, когда реализуется режим температурного ограничения тока с катода, измеряют ток катода I_T и на основании данных о величине I_T, полученных при одном и том же накале катода в разные моменты времени t в процессе его обработки, строят зависимость ограниченного температурой тока I_T от времени тренировки t, прекращают тренировку после того, как скорость изменения тока I_T во времени (dI_Т/dt) уменьшается до заданного значения, затем выключают напряжение и магнитное поле, откачивают инертный газ из прибора и обезгаживают гиротрон при значениях мощности накала вплоть до стандартного P_с. A method for the restoration of high-power vacuum gyrotron-type microwave devices, in which the cathode is treated with an ion stream and the changes in the emission current from the cathode are controlled during ion processing, characterized in that the gyrotron is equipped with inert gas inlet and pump systems, and the pressure p _and inert gas in the gyrotron are set to satisfy the inequality p _min <p _and <10 ^-5 -10 ^-4 Torr, where p _min is the minimum inert gas pressure at which the necessary time for the ion treatment of the cathode has the maximum allowable value, the filament is fed to the cathode and set the glow power P≤P _c , where P _s is the standard glow of the cathode, turn on the anode voltage and set its value U _a = U _arr from the interval U _min ≤U _arr ≤U _max , where the minimum voltage U _min is determined by the ratio U _min = (1.5-2.0) W _opt / e, in which W _opt is the optimal energy of the ions bombarding the cathode, at which a minimum radiation dose is required for cathode restoration, e is the electron charge, and the maximum voltage U _max is the voltage at exceeding which discharge phenomena are possible in the cathode – anode gap and / or power, we transfer in the beam exceeds the value that can be scattered on the transport channel and / or on the collector, the cathode is ionized at a selected voltage U _a = U _arr and a magnetic field is turned on, and the magnetic field B _k at the cathode of the magnetron-injection gun (MIP ) set satisfying the relation B _cr <B _to <(1,1-1,5) B _cr where B _cr - a critical magnetic field with an anode voltage U _a = U _mod is set aside increasing collector magnetic field, and the ratio of the maximum magnetic field B _about in the beam transport channel and to the magnetic field at the cathode B _to set satisfying the condition of the electron beam deposition on the remote from the cathode portion of the transport channel and / or on the collector, periodically at a voltage U _a = U _arr and reduced glow of the cathode, under conditions when the temperature limitation mode of current with the cathode, measure the current of the cathode I _T and based on the data on the value of I _T obtained at the same cathode heat at different times t during its processing, build the dependence of the current-limited current I _T on the training time t, pre they stop training after the rate of change of current I _T in time (dI _T / dt) decreases to a predetermined value, then turn off the voltage and magnetic field, pump out the inert gas from the device and degass the gyrotron with values of incandescent power up to the standard P _s .

Images