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一种磁控管用冷 阴极结构和毫米波磁控管

阅读：1025发布：2020-07-21

专利汇可以提供一种磁控管用冷阴极结构和毫米波磁控管专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种磁控管用冷阴极结构，包括底金属杆、套设于底金属杆一端的上屏蔽帽与下屏蔽帽、以及设置于上屏蔽帽和下屏蔽帽之间的冷阴极发射体，该冷阴极发射体包括交替设置的一次发射体和二次发射体，一次发射体位于该冷阴极发射体的两端。本实用新型还公开了一种包括冷阴极结构的毫米波磁控管，其中冷阴极发射体的厚度为0.62～6.5mm。本实用新型通过对一次发射体和二次发射体的交替设置，实现了一次电子和二次倍增现象的可靠互动，保证磁控管的可靠启动；采用本实用新型的冷阴极结构制得的磁控管无需灯丝加热，可瞬间启动，无明显启动迟滞时间，启动后电参数特性与热阴极磁控管一致。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种磁控管用冷阴极结构和毫米波磁控管专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种磁控管用冷阴极结构，其特征在于，该冷阴极结构包括底金属杆、套设于底金属杆一端的上屏蔽帽与下屏蔽帽、以及设置于上屏蔽帽和下屏蔽帽之间的冷阴极发射体，该冷阴极发射体包括交替设置的一次发射体和二次发射体，一次发射体位于该冷阴极发射体的两端。
2.根据权利要求1所述的一种磁控管用冷阴极结构，其特征在于，所述一次发射体为钽环，二次发射体为钯钡环。
3.根据权利要求1所述的一种磁控管用冷阴极结构，其特征在于，所述底金属杆具有用于限定所述下屏蔽帽的凸起，所述上屏蔽帽与所述底金属杆固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种磁控管用冷阴极结构，其特征在于，所述上屏蔽帽和下屏蔽帽分别采用点焊、电阻焊或激光焊接的方式固定在底金属杆上。
5.根据权利要求1所述的一种磁控管用冷阴极结构，其特征在于，所述一次发射体的厚度为0.01～0.1mm，所述二次发射体的厚度为0.6～1.5mm。
6.根据权利要求5所述的一种磁控管用冷阴极结构，其特征在于，一次发射体的直径大于二次发射体的直径。
7.根据权利要求1所述的一种磁控管用冷阴极结构，其特征在于，所述一次发射体的直径为5.0～5.1mm，所述二次发射体的直径为4.9～5.0mm。
8.一种毫米波磁控管，其特征在于，该磁控管包括如权利要求2所述的冷阴极结构，冷阴极发射体的厚度为0.62～6.5mm。
9.如权利要求8所述的一种毫米波磁控管，其特征在于，所述冷阴极结构包括交替设置的X个钽环，Y个钯钡环，所述X为整数2～5，所述Y为整数1～4。

说明书全文

一种磁控管用冷 阴极结构和毫米波磁控管

技术领域

[0001] 本实用新型涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种磁控管用冷阴极结构和毫米波磁控管。

背景技术

[0002] 磁控管是军事和民用领域应用最广泛的真空微波管，均有结构简单、脉冲功率大、寿命长、成本高、体积小的优点，既可应用于导弹、通信、信标、警戒雷达等军用领域，又可在医疗、通信、气象、化工、工业加热、汽车点火等民用领域广泛应用。

[0003] 然而，现有技术中一般采用热阴极作为磁控管的电子源，采用这种阴极工作的磁控管具有以下技术问题：其一，工作前必须采用热子对阴极进行预热，预热时间最少1分钟，
有时甚至高达5分钟；其二，为了对磁控管热阴极进行预热，磁控管电源必须加入灯丝电源
部分，而且一般灯丝变压器浮置于阴极负高压之上，电源的复杂度提高，可靠性下降；其三，
热阴极工作温度一般在850℃以上，工作温度高，阴极发射物质蒸散现象严重，寿命偏低。

[0004] 现有技术中，碳纳米管冷阴极采用平面发射结构，一般用于一次发射场合，耐轰击能力差，不能提供二次电子发射，不适宜于应用在磁控管中。而现有技术中提供二次发射的
阴极结构为复合式冷阴极，其二次发射体为钨海绵体或镍海绵体，这种多孔疏松结构在制
作过程中容易吸气，而且在工作过程中在一次电子的轰击下也容易析出气体，一般需要采
用热丝对阴极进行高温除气，增加了结构的复杂性。

[0005] 因此，需要提供一种结构简单，无需设置热丝的磁控管用冷阴极结构和毫米波磁控管。
发明内容

[0006] 本实用新型的一个目的在于提供一种毫米波磁控管用冷阴极结构。

[0007] 本实用新型的另一个目的在于提供一种采用毫米波磁控管用冷阴极结构的磁控管。

[0008] 为达到上述第一个目的，本实用新型采用下述技术方案：

[0009] 一种毫米波磁控管用冷阴极结构，包括底金属杆、套设于底金属杆一端的上屏蔽帽与下屏蔽帽、以及设置于上屏蔽帽和下屏蔽帽之间的冷阴极发射体，该冷阴极发射体包
括交替的一次发射体和二次发射体，一次发射体位于该冷阴极发射体的两端。本实用新型
交替设置的二次发射体为合金结构，冷阴极结构无需设置热丝，简化了阴极结构；无需为热
丝提供外部电压，实现简化的电子枪结构；无需对电子枪进行排气，因而简化了磁控管电子
枪和磁控管的制备工艺。

[0010] 优选地，所述一次发射体为钽环，二次发射体为钯钡环。本实用新型的原理是利用场致发射为磁控管提供一次电子，一次电子在磁场的作用下轰击二次发射体，实现电子倍
增，从而正常工作。本实用新型的场致发射材料采用厚度为微米量级的高温难熔材料钽，通
过电腐蚀和碾压形成钽环。本实用新型的二次发射体则采用二次发射系数较大的钯钡合金
材料，该合金材料中含有阴极活性物质钡。在高电压的作用下，钽环和钯钡环的结合实现了
磁控管的冷启动。这种磁控管工作前无需预热，可瞬间启动，电源简单，可靠性高，阴极温度
低，蒸散速度慢，工作寿命长。

[0011] 优选地，所述钯钡环中，钯钡合金中钡的比例为0.5～3.5％，钡含量太少会影响二次发射性能和工作寿命，钡含量太高会降低钯钡合金的工作温度，导致高温蒸发严重，寿命
降低。

[0012] 优选地，所述底金属杆具有用于限定所述下屏蔽帽的凸起，所述上屏蔽帽与所述底金属杆固定连接。

[0013] 优选地，所述上屏蔽帽和下屏蔽帽分别采用点焊、电阻焊或激光焊接的方式固定在底金属杆上；更优选地，所述上屏蔽帽和下屏蔽帽分别采用激光焊接的方式固定在底金
属杆上。本实用新型屏蔽帽用于防止电子逃逸到阴极轴向端部空间，形成无用电流，降低工
作效率。本实用新型通过将上屏蔽帽与金属杆焊接固定，实现冷阴极发射体的各个发射体
结构紧密接触。这种定位和固定方式，无需将冷阴极各发射体之间进行焊接，也无需将冷阴
极发射体与上、下屏蔽帽和底金属杆进行焊接，保证了一次发射体和二次发射体的电子发
射性能。本实用新型中点焊、电阻焊或激光焊接均可将屏蔽帽固定，但是采用激光焊接的方
式比其他焊接方式难度更小，焊接更精确。

[0014] 优选地，所述一次发射体的厚度为0.01～0.1mm，所述二次发射体的厚度为0.6～1.5mm。本实用新型中的一次发射体提供尖端，保证一次电子发射效率，而二次发射体在一
次电子的轰击下，依靠二次发射为磁控管工作提供阴极电流，最终实现磁控管的可靠冷启
动，因此将一次发射体和二次发射体的厚度限定为所述范围。

[0015] 优选地，所述一次发射体的直径大于二次发射体的直径。本实用新型中一次发射体作为一次电子提供源，对二次发射体进行轰击，因此其直径大于二次发射体的直径。

[0016] 优选地，所述一次发射体的直径为5.0～5.1mm，所述二次发射体的直径为 4.9～5.0mm。

[0017] 优选地，所述底金属杆为直径为2.0～2.8mm、高为15～20mm的圆柱体。

[0018] 优选地，所述底金属杆的材料为熔点大于2000℃的金属；更优选地，所述金属为金属钼。

[0019] 优选地，所述上、下屏蔽帽的材料为金属铪。

[0020] 优选地，所述上、下屏蔽帽的直径为5.4～5.8mm，厚度为0.2～0.3mm。

[0021] 为达到上述第二目的，本实用新型采用下述技术方案：

[0022] 一种包括所述冷阴极结构的毫米波磁控管，其中冷阴极发射体的总厚度为0.62～6.5mm。进一步地，在本实用新型的某些具体实施方式中，例如，所述冷阴极发射体的总厚度
为0.62～3.03mm、0.62～2.45mm、0.62～1.7mm、 0.62～1.55mm、0.62～1.5mm、0.62～
1.21mm；优选地，所述冷阴极发射体的总厚度为总厚度为1.21～3.03mm、1.5～2.45mm、1.5
～1.7mm、1.55～1.7mm。本实用新型得到的冷阴极磁控管的起振时间小于5s，工作500小时
后磁控管输出功率大于20kW，磁控管效率大于20％。

[0023] 优选地，所述冷阴极结构包括交替设置的X个钽环，Y个钯钡环，其中 X为整数2～5，Y为整数1～4；更优选地，X为3，Y为2。本实用新型中钽环和钯钡环的数目越多，得到的阴
极体的可靠性越强，但是数目过多会增加工艺制备的难度，综合考虑阴极体的可靠性和装
载难度，钽环为3个和钯钡环为2个为最优选方案。

[0024] 本实用新型的冷阴极磁控管是对传统热阴极磁控管的一种技术改进，与热阴极磁控管相比，这种类型磁控管具以下一系列特点：由于没有灯丝加热，也没有悬浮在高压上的
灯丝供电组件，磁控管电源得到简化，可靠性得到提高；由于没有灯丝加热，它节省了灯丝
功率，降低了发射机功耗，提高了发射机效率；由于不需要灯丝，发射机可以省去高电位灯
丝变压器等电路，可节省50多个元件，发射机体积重量可下降15％左右；由于采用冷发射材
料，可瞬间启动，启动时间约为3-5s，启动时间是传统热阴极的1/10，适合航空飞行器使用，
可大大提高现代战争的战机把握能力；由于冷阴极发射体工作温度为300-700℃，工作温度
低，耐电子回轰和离子轰击能力强，工作寿命可达5000-10000小时；由于冷阴极材料工作真
空度要求较低，存储和维护简单，维护周期可较热阴极磁控管可延长一倍。

[0025] 冷阴极技术是军事需求下磁控管的又一发展方向，本实用新型中的冷阴极磁控管无需灯丝加热，靠阴极尖端的场致发射提供一次电子，然后轰击阴极，产生二次电子，从而
正常工作。冷阴极技术的应用缩短了发射机准备时间，提高了武器装备在现代战争中战机
把握能力。

[0026] 采用本实用新型的冷阴极结构制得的冷阴极磁控管无需灯丝加热，可瞬间启动，无明显启动迟滞时间，启动后电参数特性与热阴极磁控管一致。启动时，钽环在高电场的作
用下由场致发射向阴阳极互作用空间发射一次电子，一次电子在径向电压和轴向磁场的共
同作用下轰击钯钡环，产生二次倍增，为磁控管提供阴极发射电流。

[0027] 本实用新型采用钽环作为一次电子源，采用钯钡环作为二次发射体，钽环和钯钡环交替设置，二者之间的相互配合及协同作用，令电子倍增，可在高电压的作用下实现磁控
管的冷启动。采用本实用新型的冷阴极结构制得的磁控管具有启动时间短、发射流大且发
射稳定、效率高、启动后电参数特性与热阴极磁控管一致等特点。

[0028] 另外，如无特殊说明，本实用新型所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。

[0029] 本实用新型的有益效果如下：

[0030] 1)本实用新型采用的钽环为高温难熔材料，这种材料逸出功适中，耐电子和离子的轰击能力较强；

[0031] 2)本实用新型采用的钯钡环为钯钡合金材料，其二次发射系数较大，且合金材料中的钡为阴极活性物质，因此可以为磁控管提供充足的电子；

[0032] 3)本实用新型通过对一次发射体和二次发射体的交替设置，实现了一次电子和二次倍增现象的可靠互动，保证磁控管的可靠启动；

[0033] 4)采用本实用新型的冷阴极结构制得的磁控管无需灯丝加热，可瞬间启动，无明显启动迟滞时间，启动后电参数特性与热阴极磁控管一致。
附图说明

[0034] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

[0035] 图1示出本实用新型实施例1中的毫米波磁控管用冷阴极结构的示意图。

[0036] 图2示出本实用新型实施例1中的毫米波磁控管用冷阴极结构的立体示意图。

[0037] 图3示出本实用新型实施例1中的毫米波磁控管用冷阴极结构的剖视图。

[0038] 图4示出本实用新型实施例2中的冷阴极磁控管的输出射频脉冲图，其中，A-输入电压的脉冲波形，B-输出射频的脉冲波形。

[0039] 图5示出本实用新型实施例2中的冷阴极磁控管的输出功率变化曲线。

[0040] 图6示出本实用新型实施例2中的冷阴极磁控管的工作效率变化曲线。

[0041] 图1～3中，1-钽环、2-钯钡环、3-下屏蔽帽、4-上屏蔽帽、5-底金属杆。

具体实施方式

[0042] 为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面
所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

[0043] 在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是
指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能
理解为对本实用新型的限制。

[0044] 实施例1

[0045] 一种毫米波磁控管用冷阴极结构，如图1～3所示，包括底金属杆5、套设于底金属杆一端的上屏蔽帽4和下屏蔽帽3、以及设置于上屏蔽帽和下屏蔽帽之间的冷阴极发射体。

[0046] 冷阴极发射体包括三个钽环1和两个钯钡环2，钽环和钯钡环交替设置；冷阴极发射体通过顶端钽环的上端面和底端钽环的下端面分别与上屏蔽帽4 及下屏蔽帽3紧固连
接。

[0047] 冷阴极发射体、上屏蔽帽和下屏蔽帽均采用激光焊接的方式固定在底金属杆4上。

[0048] 底金属杆为直径为2.8mm、高为20mm的圆柱体。钽环1的直径为5.1mm，厚度为0.05mm；钯钡环的直径4.9mm，厚度为0.7mm；冷阴极发射体的总厚度为1.55mm。

[0049] 采用本实用新型冷阴极结构的磁控管工作前无需预热，可瞬间启动，电源简单，可靠性高，阴极温度低，蒸散速度慢，工作寿命长。

[0050] 实施例2

[0051] 采用实施例1的冷阴极结构替换热阴极磁控管中热阴极部件，得到新的冷阴极磁控管。

[0052] 对该磁控管进行测试，磁控管起振特性正常，无明显起振迟滞现象，起振时间小于5s，磁控管工作稳定，当加入高压(电压波形如图4中A)后，射频包络如图4中B所示，这种包
络与热阴极磁控管的正常包络一致，脉冲宽度达到正常脉宽400ns，其他电参数指标也正
常。

[0053] 为了验证这种冷阴极的起振特性，进行了冷阴极磁控管寿命试验，磁控管冷启动200次，正常工作500小时后，磁控管冷启动正常，所有电参数符合指标要求。图5是寿命试验
时输出功率变化曲线，从图中可以看出，工作 500小时后磁控管输出功率仍然大于20kW。图
6是寿命试验中工作效率曲线，从图中可以看出，工作500小时后，磁控管效率没有明显变
化，仍然大于20％。

[0054] 实施例3

[0055] 一种毫米波磁控管用冷阴极结构，同实施例1，不同之处仅在于，底金属杆为直径为2.0mm、高为15mm的圆柱体。钽环的直径为5.0mm，厚度为 0.01mm。钯钡环的直径为5.0mm，
厚度为1.5mm。冷阴极发射体的总厚度为 3.03mm。

[0056] 采用该冷阴极结构替换热阴极磁控管中热阴极部件，得到新的冷阴极磁控管。对该磁控管进行测试，测试结果符合要求。

[0057] 实施例4

[0058] 一种毫米波磁控管用冷阴极结构，同实施例1，不同之处仅在于，底金属杆为直径为2.3mm、高为18mm的圆柱体。钽环的直径为5.05mm，厚度为 0.1mm。钯钡环的直径为
4.95mm，厚度为0.6mm。冷阴极发射体的总厚度为 1.5mm。

[0059] 采用该冷阴极结构替换热阴极磁控管中热阴极部件，得到新的冷阴极磁控管。对该磁控管进行测试，测试结果符合要求。

[0060] 实施例5

[0061] 一种毫米波磁控管用冷阴极结构，同实施例1，不同之处仅在于，

[0062] 所述冷阴极发射体包括两个钽环和一个钯钡环。

[0063] 底金属杆为直径为2.1mm、高为15mm的圆柱体。钽环的直径为5.05mm，厚度为0.1mm。钯钡环的直径为4.95mm，厚度为0.6mm。冷阴极发射体的总厚度为1.21mm。

[0064] 采用该冷阴极结构替换热阴极磁控管中热阴极部件，得到新的冷阴极磁控管。对该磁控管进行测试，测试结果显示该阴极结构磁控管可以实现冷启动，但是启动稳定时间
为5-9s，测试过程中出现打火后不能冷启动现象，整体上冷启动可靠性低于实施例1-4。

[0065] 实施例6

[0066] 一种毫米波磁控管用冷阴极结构，同实施例1，不同之处仅在于，

[0067] 所述冷阴极发射体包括五个钽环和四个钯钡环。

[0068] 底金属杆为直径为2.1mm、高为15mm的圆柱体。钽环的直径为5.05mm，厚度为0.01mm。钯钡环的直径为4.95mm，厚度为0.6mm。冷阴极发射体的总厚度为2.45mm。

[0069] 采用该冷阴极结构替换热阴极磁控管中热阴极部件，得到新的冷阴极磁控管。对该磁控管进行测试，测试结果显示磁控管冷启动正常，可靠性较高，但是这种结构阴极装配
过程对中难度大，不适宜用于发射体总高度偏低的结构中。

[0070] 对比例1

[0071] 一种毫米波磁控管用冷阴极结构，同实施例1，区别在于：将钽环去除。

[0072] 采用上述冷阴极结构替换热阴极磁控管中热阴极部件，得到新的冷阴极磁控管，并对其进行测试，结果表明，磁控管无法工作，说明缺少钽环导致冷启动失败。

[0073] 对比例2

[0074] 一种毫米波磁控管用冷阴极结构，同实施例1，区别在于：将钯钡环去除。

[0075] 采用上述冷阴极结构替换热阴极磁控管中热阴极部件，得到新的冷阴极磁控管，并对其进行测试，结果表明，磁控管无法工作，说明缺少钯钡环导致冷启动失败。

[0076] 从对比例1和2可知，本实用新型的冷阴极结构中钽环和钯钡环是相互配合的结构，二者缺一不可，缺少其中任一一个组件，都会导致磁控管无法工作，冷启动失败。

[0077] 结论：本实用新型采用钽环作为一次电子源，采用钯钡环作为二次发射体，钽环和钯钡环交替设置，二者之间的相互配合及协同作用，令电子倍增，在高电压的作用下实现磁
控管的冷启动。缺少一次电子源，无法提供一次电子，冷启动失败，缺少二次发射体无法发
生二次倍增，冷启动失败。采用本实用新型的冷阴极结构制得的磁控管具有启动时间短、发
射流大且发射稳定、效率高、启动后电参数特性与热阴极磁控管一致等特点。

[0078] 显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明
的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，
凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的
保护范围之列。

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一种磁控管用冷阴极结构和毫米波磁控管

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