Мощная спиральная лампа бегущей волны

Изобретение относится к конструкции и технологии СВЧ-приборов, а именно к лампам бегущей волны (ЛБВ) с высокой удельной тепловой нагрузкой на спиральную замедляющую систему, вакуумная оболочка которых совмещена с магнитопроводом магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС). Техническим результатом является увеличение выходной мощности спиральных ЛБВ и повышение их механической прочности и надежности. Диэлектрические опоры соединены со спиралью замедляющей системы швом диэлектрического припоя с температурой плавления выше 1050°С, а с корпусом, состоящим из паянных между собой медью полюсных наконечников магнитной системы и разделяющих их втулок - швом металлического припоя с температурой плавления от 780°С до 1000°С. Немагнитные втулки, разделяющие полюсные наконечники МПФС, выполнены из вакуумной керамики с коэффициентом термического линейного расширения, меньшим коэффициента термического линейного расширения материала полюсных наконечников и коэффициента термического линейного расширения материала диэлектрических опор. Приведено выражение для выбора толщины немагнитной втулки. 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к конструкции и технологии СВЧ-приборов, а именно к мощным спиральным лампам бегущей волны (ЛБВ) и к миниатюрным низковольтным ЛБВ с высокой удельной тепловой нагрузкой на спираль, использующим магнитную периодическую фокусировку.

Потребности создания новой перспективной радиоаппаратуры в сантиметровом диапазоне длин волн диктуют необходимость разработки с одной стороны надежных и компактных спиральных ЛБВ для мощных (более 1 кВт) выходных каскадов наземных передатчиков и, с другой стороны, миниатюрных низковольтных ЛБВ повышенной мощности (сотни Вт) для бортовой аппаратуры. Ключевой проблемой разработки обоих классов ЛБВ является недостаточный теплоотвод от спирали ЛБВ. Температура спирали мощных ЛБВ допускается до 300°С при выполнении ее из меди и порядка 500°С в случае молибдена. Обычно спираль в мощных ЛБВ выполняется из молибдена. Особенно перспективными конструкциями для этих классов ЛБВ являются такие, в которых вакуумная оболочка в области замедляющей системы совмещена с магнитопроводом магнитной периодической фокусирующей системы (МПФС). Идеальный тепловой контакт обеспечивался бы при пайке всех теплоотводящих элементов между собой металлическими припоями. Но, с увеличением рабочих частот до 3-сантиметрового диапазона и выше, когда диаметр спирали и шаг ее навивки составляют уже доли миллиметра, такой способ закрепления спирали становится проблематичным, т.к. требуется надежная электрическая изоляция между соседними витками спирали. Применение пайки для соединения диэлектрических опор спирали с корпусом затрудняется из-за большой протяженности шва, требующей идеального согласования разнородных деталей спая по коэффициенту термического линейного расширения.

Известны конструкции спиральных ЛБВ, в которых для улучшения теплоотвода от спирали (уменьшения теплового сопротивления между спиралью и охлаждаемой поверхностью корпуса ЛБВ) плотный механический контакт между спиралью и диэлектрическими опорами, закрепляющими ее в корпусе, а также между опорами и самим корпусом обеспечивается прецизионной механической обработкой и различными технологическими приемами, наиболее распространенным из которых является "термообжатие" системы спираль-опоры-корпус [1, 2]. Причем в качестве корпуса (вакуумной оболочки) используется обычно тонкая металлическая трубка, на которую в дальнейшем крепятся полюсные наконечники магнитопровода МПФС.

Недостатками данных конструкций являются следующие: значительное тепловое сопротивление в областях механического контакта соединяемых деталей, нестабильность этого сопротивления (тенденция к увеличению) в процессе работы при многократных нагревах и охлаждениях, а также наличие дополнительного теплового сопротивления в местах контакта трубки и дисковых полюсных наконечников МПФС, от которых тепло отводится за счет обдува их воздухом или с помощью жидкостного охлаждения.

Прототипом данного технического решения является широкополосная спиральная ЛБВ [3] со спиралью, окруженной теплоотводящими керамическими опорами из окиси бериллия (ВеО), содержащая металлический корпус, являющийся частью вакуумной оболочки и совмещенный с магнитопроводом магнитной периодической фокусирующей системы, в котором полюсные наконечники выполнены в виде дисков из магнитомягкого материала и разделены металлическими втулками из немагнитного материала. В этой конструкции опоры спирали контактируют непосредственно с внутренней поверхностью наконечников магнитопровода и разделяющих их втулок из немагнитного материала (сплав монель), соединенных вакуумно-плотными швами и образующих вакуумную оболочку ЛБВ в районе замедляющей системы. Несомненными достоинствами такой конструкции является отсутствие внутренней трубки, применяемой обычно для обжима системы спираль - опоры. Это позволяет устранить дополнительное тепловое сопротивление между трубкой и магнитопроводом, увеличить величину магнитного поля на оси прибора и соосность этого магнитного поля с осью прибора.

Недостатком такого технического решения является наличие чисто механических контактов между соприкасающимися поверхностями деталей (спираль - опоры и опоры - корпус), отводящих тепло от спирали. Такие плотные механические контакты имеют значительное тепловое сопротивление и, к тому же, стабильность и надежность этого сопротивления падает с течением времени, после многократных циклов нагрева и охлаждения в процессе работы.

Целью предлагаемого технического решения является повышение выходной мощности спиральных ЛБВ за счет использования паяных соединений для улучшения теплоотвода от спирали к корпусу ЛБВ без снижения надежности и механической прочности соединения.

Цель достигается тем, что в предлагаемой конструкции:

Втулки, разделяющие полюсные наконечники МПФС, выполнены из вакуумной керамики с коэффициентом термического линейного расширения, меньшим коэффициента термического линейного расширения материала полюсных наконечников и коэффициента термического линейного расширения материала опор, опоры соединены со спиралью слоем диэлектрического припоя с температурой плавления выше 1000-1050°С, а с корпусом - слоем металлического припоя с температурой плавления от 780°С до 900-1000°С, причем толщина втулки l_в выбрана из отношения:

l_в=l(α_n-α_o)/(α_n-α_в)=(0,56÷0,76)l,

где l - суммарная толщина полюсного наконечника и втулки вдоль оси корпуса [м],

α_n - коэффициент термического линейного расширения материала полюсных наконечников [К^-1],

α_o - коэффициент термического линейного расширения материала опор [К^-1],

α_в - коэффициент термического линейного расширения материала втулок [К^-1].

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрического припоя использован алюмосиликатный материал.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрического припоя использован стеклоцемент марки СК-27.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что в качестве металлического припоя использован медно-серебряный сплав марки ПСр70М.

Мощная спиральная, лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что в качестве металлического припоя использован медно-золотой сплав марки ПЗл80М.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что в качестве металлического припоя использован золото-серебряный сплав марки ПЗл90Ср.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что в качестве металлического припоя использован медно-германиевый сплав марки ПМ88Г.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что металлический припой нанесен гальваническим способом на внутреннюю поверхность корпуса.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что металлический припой нанесен на каждую опору гальваническим способом в виде продольной полосы на внешние стороны опор.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что между металлическим припоем и втулкой размещен слой дополнительной металлизации с хорошей адгезией к материалу втулки.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что между металлическим припоем и опорой размещен дополнительный слой металлизации с хорошей адгезией к материалу опоры.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что в качестве материала для металлизации втулок использована молибденовая или молибдено-марганцевая металлизационная паста марок П-1 или ПМ-1.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что в качестве материала для металлизации опор использована молибденовая или молибдено-марганцевая металлизационная паста марок ПСТ-1 или ПСТМ-1.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что между металлизационным слоем и металлическим припоем размещен буферный слой покрытия из никеля.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что в корпусе выполнены каналы охлаждения, параллельные его оси.

Мощная спиральная лампа бегущей волны, отличающаяся тем, что втулки выполнены из пакета двусторонне металлизированных слоев керамики по технологии многослойных керамических плат.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в предлагаемой конструкции по сравнению с прототипом за счет применения паяных швов между спиралью и опорами и между опорами и корпусом значительно увеличивается теплоотвод от спирали, так как уменьшается тепловое сопротивление контактов между разнородными материалами спирали, опор и корпуса и, тем самым, обеспечивается возможность работы такой спирали при больших уровнях выходной мощности ЛБВ. Но в применяемых на практике конструкциях ЛБВ [3] такие металлические спаи не могут быть реализованы из-за больших механических напряжений, возникающих в спаях разнородных материалов. Особенно это касается протяженных швов спаев опор с корпусом. Кроме того, металлические припои для пайки спирали к опорам должны наноситься локально, чтобы не закоротить электрически витки спирали. Это чрезвычайно усложняет технологию сборки и пайки и провоцирует электрические пробои между витками спирали при больших мощностях. Применение в предлагаемой конструкции ступенчатой пайки спирали диэлектрическим высокотемпературным припоем к опорам и, затем, этого узла в корпус более низкотемпературным металлическим припоем при обязательном использовании втулок из вакуумной керамики, разделяющих диски магнитопровода МПФС, и образующих вместе с ними паяную вакуумно-плотную оболочку прибора, решает эту проблему. Для обеспечения первого этапа ступенчатой пайки, т.е. для пайки узлов спираль - опоры и корпуса, образуемого из полюсных наконечников магнитной системы и разделяющих их втулок из немагнитного материала (керамики) выбраны, соответственно, в качестве диэлектрического припоя стеклоцемент с температурой плавления выше 1050°С и чистая медь с температурой пайки 1083°С. Пайка узла спираль - опоры в корпус - вторая ступень процесса, осуществляемая с помощью металлического припоя с температурой плавления в интервале от 780°С до 1000°С. За счет более низкого, чем у материала опор (керамика из окиси бериллия), и магнитомягкого материала полюсных наконечников (чистое железо и его сплавы), коэффициента термического линейного расширения втулок в предлагаемой конструкции возможно создание надежного паяного шва, в котором локальные напряжения не достигают разрушающих значений. При соответствующем выборе толщины втулки и толщины полюсного наконечника в спае втулка - полюсный наконечник возможно равенство с высокой точностью абсолютных значений удлинений корпуса и опор на длине полупериода МПФС (втулка - полюсный наконечник), т.е. механические напряжения в спае не накапливаются в замедляющих системах с протяженными швами. При использовании в качестве материала полюсных наконечников существующих в настоящее время магнитомягких сплавов железа и чистого железа с коэффициентами термического линейного расширения от 110×10^-7 (сплав КФ-48) до 145×10^-7 отношение толщины втулки к суммарной толщине втулки и наконечника находится в пределах от 0,56 до 0,76. Эти пределы близки к оптимальным для существующих в настоящее время материалов, пригодных для использования в качестве элементов комбинированной вакуумной оболочки мощных ЛБВ с магнитной периодической фокусировкой. В спае молибденовой спирали с опорами ввиду близости коэффициента термического линейного расширения молибдена и многих диэлектрических материалов, используемых для изготовления опор, а также ввиду малой протяженности спаев, разрушающих напряжений не возникает. Даже в спаях таких материалов, как вакуумная керамика и железо или магнитомягкие его сплавы, опасных напряжений не возникает при реальных поперечных размерах корпусов ЛБВ сантиметрового диапазона. Этому способствует также форма спая - керамика с двух сторон охвачена полюсными наконечниками с большим коэффициентом термического линейного расширения.

Изобретение поясняется чертежами, где на:

фиг.1 изображен поперечный разрез мощной спиральной ЛБВ, проходящий через одну из втулок;

фиг.2 изображен увеличенный фрагмент С поперечного разреза мощной спиральной ЛБВ (фиг.1);

фиг.3 изображен продольный разрез мощной спиральной ЛБВ по линии Б-Б фиг.1;

фиг.4 изображен продольный разрез по линии Б-Б фиг.1 варианта исполнения мощной спиральной ЛБВ.

Предложенная мощная спиральная лампа бегущей волны включает в себя корпус, составленный из полюсных наконечников 1 МПФС в виде дисков и разделяющих их втулок 2 из немагнитного материала. В пространстве между полюсными наконечниками 1 установлены кольцевые магниты 3. Внутри корпуса, вдоль его оси размещена замедляющая система, включающая спираль 4 и диэлектрические опоры 5. Опоры 5 соединены со спиралью 4 паяным швом с применением диэлектрического припоя 6, а с корпусом - паяным швом за счет слоя металлического припоя 7, нанесенного гальванически на внутреннюю поверхность полюсных наконечников 1, а также на металлизированную 8 высокотемпературным вжиганием металлизационной пасты и покрытую никелем 9 поверхность втулок 2. Наружный экран в данной конструкции замедляющей системы образован внутренними поверхностями полюсных наконечников 1 и металлизированных (слои 7, 8, 9) втулок 2. Наружная грань прямоугольных в поперечном сечении (для увеличения площади контакта) опор 5 также металлизирована (слой 10) и покрыта никелем 11. В толще металлокерамического корпуса для увеличения теплоотвода могут быть выполнены каналы охлаждения 12. С той же целью втулки могут быть выполнены из многослойной металлизированной по слоям 13 керамики по технологии многослойных плат, что еще более увеличивает теплоотвод от спирали к наружной поверхности корпуса, или к каналам охлаждения 12. Размеры конструктивных элементов ЛБВ, а именно толщина втулок l_в и суммарная толщина втулок и полюсных наконечников l, изображены на фиг.3.

Пример практической реализации предлагаемого изобретения представляет собой конструкцию мощной спиральной ЛБВ, в которой спираль выполнена из молибдена, опоры - керамические, из окиси бериллия марки ОБ-1, полюсные наконечники - из чистого железа (сталь марки 10864), а втулки - из алюмооксидной керамики марки 22ХС. В паяных швах использованы: чистая медь марки MB (1083°С) в спаях полюсных наконечников и втулок, стеклоцемент марки СК-27 (1200°С) в качестве диэлектрического припоя в спае спирали и опор и гальванический медно-серебряный припой марки ПСр70М (780-800°С) в спае опор с корпусом. Такой выбор припоев обеспечивает ступенчатую пайку корпуса и существенно упрощает технологию его изготовления. В качестве металлических припоев для второй ступени пайки могут быть использованы и другие из существующих в настоящее время гальванических припоев с температурой плавления из интервала от 780°С до 1000°С, например припои марок ПЗл80М, ПЗл90Ср, ПМ88Г. Для высокотемпературной металлизации керамических опор и втулок использована молибдено-марганцевая паста марок ПСТМ-1 и ПМ-1 соответственно, а сверху металлизационный слой гальванически покрывается буферным слоем никеля. Слой припоя ПСр70М высаживается на внутреннюю поверхность корпуса гальванически. Слой гальванического припоя должен быть достаточной толщины, чтобы при окончательной механической обработке внутренней поверхности корпуса обеспечить минимальный гарантированный зазор между ней и наружными металлизированными гранями опор паяного узла спираль - опоры. При пайке же опор со спиралью слой диэлектрического припоя из стеклоцемента должен быть минимальным, чтобы он при пайке смочил лишь наружную часть спирали, не затекая на ее внутреннюю сторону, обращенную к электронному потоку в работающей ЛБВ. Кроме того, технология пайки спирали с опорами должна обеспечивать давление между витками спирали и опорами так, чтобы витки спирали, продавив размягченный стеклоцемент, вошли в плотный механический контакт с керамикой. В таком узле тепловое сопротивление между спиралью и опорами будет ниже, чем при известных способах механического или термического "обжатия" узла. При работе ЛБВ, когда спираль нагревается до значительных температур (˜500°С) и даже при остывании после пайки (1200°С) в узле спираль - опоры не возникает опасных напряжений в спае, т.к. КТЛР молибдена, стеклоцемента СК-27 и керамики из окиси бериллия близки (50×10^-7, 60×10^-7 и 87×10^-7 соответственно), а протяженность спаев мала - равна ширине опор. В месте контакта опор с металлокерамическим корпусом спаиваются металлическим припоем разнородные по КТЛР материалы, но накапливания напряжений в спае не происходит, т.к. расширение наиболее сильно расширяющегося при нагреве элемента спая - полюсного наконечника компенсируется относительно малым расширением вакуумной керамики втулок, и суммарное расширение этой пары материалов корпуса подбирается равным расширению керамических опор той же длины из окиси бериллия. Кроме того, даже для такой разнородной по КТЛР пары, как вакуумная керамика и магнитомягкое железо полюсных наконечников, при максимальных размерах спая в поперечном оси прибора направлении 10-15 мм и перепаде температур в 800°С напряжения в спае не достигают разрушающих. Этому благоприятствует тот факт, что полюсные наконечники с большим КТЛР охватывают керамические втулки с двух сторон, компенсируя изгибные напряжения в спаях.

Для подобранной тройки материалов керамические опоры из окиси бериллия (α_о×10⁷=87), полюса магнитопровода из железа (α_n×10⁷=145) и втулки из алюмооксидной керамики 22ХС (α_в×10⁷=69) оптимальное с точки зрения согласования КТЛР отношение толщины керамических втулок и полюсных наконечников составило 3:1, что близко к типичному соотношению толщины магнитов (3, фиг.2) и полюсных наконечников МПФС в мощных ЛБВ сантиметрового диапазона. Кроме того, это соотношение может быть не равно в точности соотношению толщин керамики и металла в спае металлокерамической оболочки в разумных пределах (не допуская малой толщины магнитопровода, приводящей к его насыщению) за счет разной толщины дисков магнитопровода в спае и за оболочкой, в районе магнитов. Варьирование этого соотношения возможно и за счет применения других магнитомягких материалов (сплавов) для полюсных наконечников с другими КТЛР. Выбор этих материалов достаточно широк.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечит возможность создания мощной, экономичной в производстве и надежной спиральной ЛБВ на несколько единиц киловатт средней мощности в полосе от десятков процентов до октавы и, с другой стороны, позволит создать прочные, надежные и устойчивые к механическим воздействиям конструкции и для низковольтных миниатюрных ЛБВ с мелкоструктурной спиралью.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. А.с. СССР № 290346, МПК H 01 J 23/26, приоритет от 1.06.1968, "Оправка для термического закрепления замедляющей системы", автор В.И. Юданов.

2. А.с. СССР № 322805, МПК H 01 J 23/26, приоритет от 26.11.1969, "Способ крепления замедляющей системы", авторы В.И. Юданов, А.Ф. Мурсков.

3. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 "Антенны и СВЧ устройства и их технологии" Азова Геннадия Анатольевича на тему "Исследование и разработка мощных широкополосных ЛБВ непрерывного действия сантиметрового диапазона длин волн на спиральных замедляющих системах", ОАО "Плутон", Москва, 2002 г. стр.94-99, 109-111.

1. Мощная спиральная лампа бегущей волны, содержащая корпус, являющийся частью вакуумной оболочки и совмещенный с магнитопроводом магнитной периодической фокусирующей системы, в котором полюсные наконечники выполнены в виде дисков и разделены втулками из немагнитного материала, замедляющую систему со спиралью, закрепленную вдоль оси корпуса с помощью диэлектрических опор, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, отличающаяся тем, что втулки выполнены из керамики с коэффициентом термического линейного расширения, меньшим коэффициента термического линейного расширения материала полюсных наконечников и коэффициента термического линейного расширения материала опор, опоры соединены со спиралью швом диэлектрического припоя с температурой плавления выше 1050°С, а с корпусом - швом металлического припоя с температурой плавления от 780 до 1000°С, причем толщина керамической втулки l_в выбрана из соотношения

l_в=l(α_n-α_о)/(α_n-α_в)=(0,56-0,76)1[м],

где l - суммарная толщина полюсного наконечника и втулки вдоль оси корпуса [м],

α_n - КТЛР материала полюсных наконечников [К^-1],

α_о - КТЛР материала диэлектрических опор [К^-1],

α_в - КТЛР материала керамических втулок [К^-1].

2. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрического припоя использован стеклоцемент на основе алюмосиликатов.

3. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.2, отличающаяся тем, что использован стеклоцемент марки СК-27.

4. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что в качестве металлического припоя использован медно-серебряный сплав марки ПСр70М.

5. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что в качестве металлического припоя использован медно-золотой сплав марки ПЗл80М.

6. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что в качестве металлического припоя использован золото-серебряный сплав марки ПЗл90Ср.

7. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что в качестве металлического припоя использован медно-германиевый сплав марки ПМ88Г.

8. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что металлический припой нанесен гальваническим способом на внутреннюю поверхность корпуса.

9. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что металлический припой нанесен гальваническим способом на каждую опору в виде продольной полосы со стороны, обращенной к корпусу.

10. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что между металлическим припоем и втулкой размещен дополнительный слой металлизации с хорошей адгезией к керамическому материалу втулки.

11. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что между металлическим припоем и опорой размещен дополнительный слой металлизации с хорошей адгезией к керамическому материалу опоры.

12. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.10, отличающаяся тем, что в качестве материала для металлизации использована молибденовая или молибдено-марганцевая металлизационная паста марок П-1 или ПМ-1.

13. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.11, отличающаяся тем, что в качестве материала для металлизации использована молибденовая или молибдено-марганцевая металлизационная паста марок ПСТ-1 или ПСТМ-1.

14. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п,1, отличающаяся тем, что в корпусе выполнены каналы охлаждения, параллельные его оси.

15. Мощная спиральная лампа бегущей волны по п.1, отличающаяся тем, что керамические втулки корпуса изготовлены из многослойной металлизированной керамики по технологии многослойных керамических плат.