ФедеральноеАгентство по Образованию РФ
ТомскийГосударственный Университет Систем Управления и Радиоэлектроники (ТУСУР)
Кафедра Электронных Приборов (ЭП)/>
Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине
“Вакуумная иплазменная электроника”
На тему: />/>Расчети конструирование катодного узла />
Выполнил:
студент Малышкин А. А./>
Проверил:/>
доцент каф. ЭП Аксенов А. И.
2009
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
1. ГЕКСАБОРИДНЫЕ КАТОДЫ
1.1 Свойства боридов
1.2 Изготовления катода гексаборида лантана
2. РАСЧЕТ КАТОДНОГО УЗЛА
2.1 Режим работы катодного узла
2.2 Расчет мощности катода
2.3 Расчет подогревателя катода
2.4 Расчет охлажденных концовдержателя
2.5 Расчет мощности потерь наохлажденных концах
2.6 Расчет мощности, забираемойэмитирующими электронами
2.7 Расчет мощности теплового излученияс рабочей поверхности
2.8 Расчет мощности излучениякорпусом катода
2.9 Проверка баланса мощностей
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>Введение
В связи сбыстрым развитием технологии производства электронных эмиттеров в настоящеевремя существует большое количество различных типов термокатодов, отличающихсядруг от друга используемыми материалами, структурой активного слоя,температурным режимом и способом нагрева.
Накаливаемыекатоды принято обычно классифицировать по трём признакам: по виду вещества,используемого в качестве источника термоэлектронной эмиссии, по способу ихнакаливания и по виду конструктивного оформления.
Основныетребования к веществам, используемых в качестве источников электронов внакаливаемых катодах выглядят следующим образом:
Во-первых, вещество должно обладать достаточно высокойтемпературой плавления, допускающей его работу при значениях температуры,обеспечивающее необходимую для нормальной работы лампы плотность токатермоэлектронной эмиссии и возможность ещё более высокотемпературной обработкикатода;
Во-вторых, вещество должно обладать достаточно высокойтемпературой кипения и по возможности более низким давлением паров в пределахрабочих значений температуры катода (этим фактом определяются в большинствеслучаев длительность и стабильность работы многих видов катодов);
В-третьих, в пределах температуры катода его вещество должнообладать высокой механической прочностью и достаточно высокойэлектропроводностью, допускающей отбор тока эмиссии большой плотности и беззаметных потерь, вызывающих дополнительный нагрев катода этим током. [1]
Поспособам нагрева термоэлектронные катоды можно подразделить на прямонакальные,подогревные и с электронным подогревом:
В прямонакальном катодеток накала проходит непосредственно по телу катода.
В случае подогревногокатода нагрев осуществляется специальным подогревателем за счет лучеиспусканияили теплопроводности изолирующего покрытия подогревателя, через которыйпропускается ток накала.
Катод с электроннымподогревателем нагревается в результате бомбардировки его ускоренными вэлектрическом поле электронами. Для этого требуется дополнительный, обычнопрямонакальный, катод и наличие разности потенциалов между катодами.
Поматериалам и структуре активного слоя современные термоэлектронные катоды можноподразделить на 5 групп:
I группа – катоды из чистых металлов;
II группа – пленочные катоды;
III группа – полупроводниковые катоды;
IV группа – гексаборидные катоды;
V группа – сложные катоды;
Особую группупредставляют собой катоды, для которых эмитирующими электроны веществамиявляются различного рода тугоплавкие соединения, принадлежащие скристаллографической точки зрения к так называемым структурам внедрения,(которые по электропроводности чаще всего соответствуют металлам, реже –полупроводникам, представляя в этом отношении особую переходную группу междуметаллами и полупроводниками, называемых иногда полуметаллами). К этим веществамотносятся соединения металлов с такими элементами, как углерод (карбиды) и бор(бориды). Из подобных соединений, уже нашедших практическое применение вэлектровакуумной технике и, в частности, в разборных приборах, а также вразработках генераторных ламп, можно назвать гексабориды лантана ицермишметалла, являющиеся одними из наиболее активных среди многихисследованных до сих пор соединений этого типа. [1]/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
1. Гексаборидные катоды/>/>/>/>/>
1.1 Свойства боридов
Бор,азот, кремний, углерод образуют с металлами переходных групп соединения,которые не подчиняются законам химической валентности и по многим свойствамнапоминают металлы. Все эти соединения получили название: металлоподобные.Исследование эмиссионных свойств металлоподобных соединений показало, чтонекоторые из них могут быть использованы в качестве источников электронов. Кчислу таких соединений следует отнести в первую очередь гексаборидыредкоземельных и щелочноземельных металлов, а также некоторые дибориды.
Эмиттеры на основеборидов имеют, как правило, высокую рабочую температуру и сравнительно низкуюэкономичность, но все-таки они представляют значительный интерес благодаря устойчивостик отравлению остаточными газами.
Бориды являютсятугоплавкими, трудно летучими и химически стойкими веществами. Температураплавления гексаборидов лежит в интервале 2100-2600 град.С. Характерной особенностьюборидов является присущая им большая твердость, которая может быть объясненаналичием громадных сил сцепления в кристаллах. Эти соединения трудно поддаютсяхолодной обработке обычным способом.
Большинству боридов присущи ярко выраженные металлические свойства: ониимеют металлический блеск, хорошо проводят электрический ток, причемтемпературный коэффициент сопротивления у них положителен, как у металлов.
Химически бориды, какправило, устойчивы по отношению к воздействию большинства минеральных кислотдаже при нагревании. Кислород на холодные бориды не воздействует.
В термодинамическомотношении бориды более устойчивы, чем карбиды.
При нагревании в контактес металлами и многими тугоплавкими соединениями бориды диффундируют в металл ирасполагается в междуузлиях его решетки, образуя низшие бориды и сплавы.Обследовано большое количество систем боридов – тугоплавкий металл и егосоединение. Наиболее активными из боридов по отношению к металлам являютсягексабориды.
В настоящеевремя исследованы эмиссионные свойства почти всех редкоземельных ищелочноземельных элементов. Среди гексаборидов редкоземельных металлов наиболееперспективным веществом является гексаборид лантана, именно он чаще всегоприменяется в настоящее время для изготовления катодов.
На примере гексаборидалантана ниже будет описана техника изготовления катода и особенность егоприменения./>/>/>/>/>
1.2 Изготовления катодагексаборида лантана
Катоды с гексаборидомлантана изготовляют из порошка путём нанесения его на металлическую подложкуили прессования при Т=1920 К. Большая рабочая температура ограничивает срокслужбы катода вследствие перегорания подогревателя.
При изготовлении губчатыхкатодов в качестве подложки используют тантал или молибден, так как они меньшедругих тугоплавких металлов взаимодействуют с гексаборидом лантана. Меньше всехреагирует с последним дисцилид молибдена MoSi2, обладающий металлической проводимостью. Поэтомуцелесообразно покрывать этим соединением подложку для предотвращения еёразрушения.
Прессованные катодыизготовляют из порошков LaB6 и W. Спекание производят в вакууме иливодороде при Т=1650-2300 К в зависимости от требуемой механической прочности.Давление прессования не превышает 10 т/см2.
Максимальная прочностьдостигается при горячем прессовании, когда давление не превышает 200 кг/см2,а температура составляет 2200-2300 К,. прессование желательно производить взащитной атмосфере.
Катодыможно изготовлять из расплавленного гексаборида лантана, который расплавляютплазменным методом. Механическую обработку осуществляют электроискровым методомс последующей химической очисткой. Необходимый контакт между изготовленнойтаблеткой и металлической подложкой производят пайкой с добавкой дисцилидамолибдена.
Эмиссионные свойствакатода, содержащего 90-95% LaB6, лучше,чем у катода из чистого гексаборида лантана. Кроме того, эмиссионные свойствакатода при холодном прессовании лучше, чем при горячем. Катод, содержащий 90% LaB6 и 10% W иполученный путём холодного прессования, имеет следующие данные: работа выхода2.62 эВ, удельная эмиссия при Т=1770 К равна 13 А/см2.
Большие плотности токамогут быть получены при соединении LaB6с другими металлами. Так, для смеси 90% LaB6 + 10% Mo при Т=1870 К jэ=25 А/см2.Для смеси 10% LaB6 + 90% Mo при Т=1870 К jэ=23 А/см2.Для смеси 90% LaB6 + 10% Pt при Т=1870 К jэ=40 А/см2. [2] />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
термоэлектронныйкатод борид мощность
2. Расчет катодного узла/>/>/>/>/>/>/>/>/>
2.1 Режим работыкатодного узла
Дляданного катода выбран непрерывный режим работы, так как задано относительно небольшое значение тока эмиссии />.Импульсный режим работы катода применяется при значениях тока эмиссии порядка несколькихдесятков ампер. С учётом того, что нам надо расcчитатькатод который сможет работать в аварийном режиме — возьмём значение токаэмиссии равным />.
Будемконструировать катод косвенного накала (катод, снабженный специальным,изолированным подогревателем). Так как для изготовления прямонакального катодаприменяется довольно сложная технология. />/>/>/>/>/>/>/>/>
2.2Расчет мощности катода
Некоторые константы дляданного вида катодов:
/> -константатермоэлектронной эмиссии, [1];
/> -эффективная работавыхода электронов, [1];
/> -рабочая температуракатода;
/> -эффективность катода (приТ=1680К), [1];
/> – при Т=1700 К, [1]
/> — постоянная Больцмана;
/> – заряд электрона;
/>/> -постоянная Стефана-Больцмана.
Используя вышеперечисленные данные, вычислим плотность тока эмиссии по формулеРичардсона-Дешмана:
/>; />.
Найденная плотность токасогласуется с табличным значением.
Учитывая то, что токэмиссии /> вычислим поверхностьэмитирующего вещества — рабочую площадь:
/>;
Определяемрадиус поверхности, с которой будет происходить испускание электронов(эмиссия). Рабочая поверхность выполнена в форме круга. Площадь кругавычисляется по формуле:
/>, где /> – радиус катода.
/>;
Несложнопредположить, что этот радиус можно принять за радиус катода, тогда диаметркатода:
/>;
Вычислимнеобходимую мощность накала:
/>,
где /> – ток эмиссии,
/> – эффективность катода;
/>./>/>/>/>/>/>/>/>/>
2.3 Расчет подогревателя катода
Помимо нормальногорабочего режима, подогреватель должен выдерживать более высокую температуру,необходимую при обработке катода, поэтому для изготовления подогревателей могутбыть применены либо вольфрам, либо его сплавы с молибденом, содержащие 50 или20% вольфрама. Преимущество оказывается на стороне вольфрама, а добавлениемолибдена улучшает механические свойства вольфрама, что облегчает изготовление подогревателейи снижает их хрупкость.
К подогревателямпредъявляют следующие основные требования: термическая устойчивость, высокаямеханическая прочность, незначительный разброс по току накала, долговечность,незначительные токи утечки. Перейдем к непосредственному расчету подогревателядля рассматриваемого катода:
Для напряжения накалаобычно задаётся одно из его стандартных значений. Пусть напряжение накалакатода будет /> [1].
Знаянапряжение накала, находим ток накала:
/>, [1]
где /> – мощность накалаподогревателя катода,
/> – напряжение накала,
/> – ток накала;
/>
Так жеможем вычислить сопротивление нагревателя:
/>. [1]
Учитывая, что при рабочейтемпературе нагревателя />,сделанного из сплава ВМ-50(W-50%и Mo-50%), удельная мощность рассеиванияпроволкой равна />, а удельноесопротивление />, рассчитаем диаметри длину проволоки подогревателя:
/> , [1] />, [1]
где /> – напряжение накала,
/> – ток накала,
/> – удельная мощностьрассеивания проволокой;
/>
/>
На рисунке 2.3.1изображена схема катода – его основные составляющие и их расположение. В катодекерн изготовлен из молибдена (так называемый молибденовый стакан).
/>
1-рабочая поверхностькатода (LaB6),
2-молибденовый корпус,
3-подогреватель,
4-держатели./>/>/>
Рисунок 2.3.1 – Схемарассчитываемого катода
Для рассматриваемогокатода выбран подогреватель в виде плоской спирали, т.к. необходимо нагреваниетаблетки из гексаборида лантана (LaB6), а невсего молибденового стакана.
На рисунке 2.3.2 представлена схема выбранного подогревателя:
/>
Рисунок 2.3.2 – Схема подогревателя/>/>/>/>/>/>/>
Верхняя часть подогревателя есть ничто иное, как спираль Архимеда. Вполярной системе координат уравнение Архимедовой спирали выглядит так: />. Из аналитическойгеометрии известно, что если гладкая кривая задана уравнением />, то длина дуги этой кривойвыражается интегралом: />, где f1 и f2 — значения полярного угла φ в концах дуги.Для спирали Архимеда этот интеграл запишется как
/>.
Интеграл табличный и равен:
/>.
Зная длину дуги (длина подогревателя), подбираем параметры спирали так,чтобы они соответствовали геометрическим размерам катода. Для этоговоспользуемся программным пакетом Mathcad, положив, что/> и f1=0. Методом подбора установим, что оптимальнымизначениями a и f2 будут a=0.125и f2=3.5p. Внешний вид полученной спирали представленна рисунке 2.3.3./>/>
/>
Рисунок 2.3.3 – Внешний вид спирали
2.4 Расчет охлажденных концов держателя
В качестве материала держателейвыберем цирконий, так как он обладает низкой теплопроводностью. Рассчитаемдлину держателей:
/> [1]/>
Отсюда:
/>
где /> — значение /> для />см, />см, /> А, зависящие от температуры/>. При />=2500/>, />, [1]
/>, [1] — теплопроводностьматериала ввода;
/> – ток накала;
/> – диаметр держателя;
/> разница междутемпературой держателей и температурой окружающей среды. Приняв температуруокружающей чреды за 300 К получим />;
Таким образом:
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
2.5 Расчет мощностипотерь на охлажденных концах
Рассчитаемпотери мощности на охлаждённых концах:
/>/>
где /> – коэффициент излучениядля циркония;
/>=5.62/>/> -постоянная Стефана-Больцмана,
/> – температурадержателя,
/> — длина держателей,
/> – диаметрдержателей.
/>./>/>/>/>/>/>/>/>/>
2.6 Расчет мощности,забираемой эмитирующими электронами
Найдеммощность, забираемую электронами:
/>,
где /> – заряд электрона,
/> — рабочаятемпература поверхности эмиттера,
/> – постоянная Больцмана.
/>./>/>/>/>/>/>/>/>/>
2.7 Расчет мощноститеплового излучения с рабочей поверхности
Мощностьизлучения эмитирующей поверхности рассчитывается по формуле:
/>,
где />=5.62/>/> -постоянная Стефана-Больцмана,
/> — рабочаятемпература поверхности эмиттера;
/> — коэффициентизлучения для гексаборида лантана при данной рабочей температуре;
/> – площадьэмитирующей поверхности;
/> ./>/>
/>2.8 Расчет мощности излучениякорпусом катода
Рассчитаем мощностьизлучения молибденового корпуса катода. Для этого необходимо сначала рассчитатьплощадь излучения. В нашем случае этой площадью является цилиндр высотой /> и радиусом />.
/>
Теперь рассчитаемнепосредственно мощность излучения:
/>;
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
2.9 Проверка балансамощностей
Проверим,выполняется ли баланс мощностей. Для этого подставим рассчитанные значения ввыражение для баланса мощности:
/>
где /> – мощность накала катода;
/> – мощность излучения срабочей поверхности;
/> – мощность потерь на охлажденныхконцах;
/> – мощность, забираемаяэмитирующими электронами;
/> — мощность излучениякорпуса катода./>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
/>
Термодинамический балансмощностей выполняется с некоторым отклонением. Из выполнения термодинамическогобаланса мощностей следует, что мы сконструировали физически возможный катодныйузел, конструкция которого будет приведена в Приложении 1./>/>/>
Заключение
В данной курсовой работе прирасчете катода из гексаборида лантана было рассмотрено явление термоэлектроннойэмиссии, которое широко используется в вакуумных и газонаполненных приборах.Были рассмотрены свойства термокатода, произведены расчет и конструированиекатодного узла./>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
/>/>Списокиспользуемой литературы
1. Царев Б.М., «Расчет и конструированиеэлектронных ламп», М: Энергия, 1967г.,670с;
2. Кацман Ю.А. «Электронные лампы», М.: Высшая школа, 1979г., 303с.;/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
Приложение
/>
А-А
/>
1 – рабочая поверхность катода (LaB6),
2 – молибденовый корпус,
3 – держатель катода,
4 – гайка,
5 – циркониевый держательнагревателя,
6 – фторопластоваяпрокладка,
7 – прокладка извакуумной резины,
8 – подогреватель катода,
9 – фланец,
10 – шайба.
/> ,– контактно-стыковая сварка