4.Конструкторская проработка

Одной из главных целей КП, как уже отмечалось, является уменьшение общей длины прибора. Мы можем уменьшить длину линз, используя уже имеющиеся конструкции[1].

Зададимся l_линз = 180 мм.

Протяжённость иммерсионного объектива в кинескопах составляет от десятых до единиц миллиметров. Пока зададимся . В дальнейшем эта величина будет уточнена.

На рис.4.1. представлены эскизы кинескопов, распределения потенциалов на оси и возможные траектории периферийных электронов пучка для цветного телевидения.

Рис.4.1. Эскиз кинескопа для черно-белого телевидения (а), распределение потенциала на оси (б), возможные траектории периферийных электронов с одним кроссовером (в) и с двумя  (кроссовер и скрещение) (г)

Обозначения узлов, принятые на рис.4.1.:

В – выводы,

Н – стеклянная ножка,

М – модулятор,

К – катод,

ПФ – подфокусирующий электрод,

УЭ – ускоряющий электрод,

А₁ – анод первый,

А₂ – анод второй,

ОС – отклоняющая система,

r₂ – внутренний радиус горловины,

ВА₂ – вывод второго анода,

D – диагональ растра кинескопа,

Al – проводящее (алюминиевое) покрытие,

ЛЭ – люминесцентный экран,

Нужно выбрать конфигурацию сфокусированного луча в кинескопе. Возможны два варианта: луч с одним кроссовером (рис.4.1.а) и луч с двумя кроссоверами (рис.4.1.б). Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Первый вариант обуславливает в большей степени проявление сферической аберрации ( апертура луча в плоскости H_од (или Н_им) больше), но меньшее проявление кулоновских сил; второй – в большей степени обуславливает влияние пространственного заряда (наличие двух кроссоверов с большой плотностью тока), но меньшее проявление сферической аберрации. Но так как данный проект не предусматривает учета аберраций, обусловленных электронными линзами, можно выбрать любой из вариантов. Я остановлюсь на варианте с двумя кроссоверами.

Теперь нам нужно определить расстояния W_пф, W_им, V_пф, V_им

Мы уже задались расстоянием l_линз = 180 мм. На этом расстоянии нужно расположить 3 электрода, т.к. кинескоп цветной. В первом приближении будем считать, что эти электроды одинаковой длины.

Найдём длину W_пф:

W_пф = = 60 мм.

Величины W_им, V_пф, V_им мы можем оценить по следующим формулам:

W_пф = W_им + V_пф

Возьмем W_им, V_пф равной длины.

Получаем:

W_им = 30 мм.

V_пф = 30 мм.

По рисунку мы можем определить V_им:

V_им = W_пф + L_мчс + l_ос / 2 + l_кон = 60 + 10 + 22 + 242.85 = 334.85 мм.

В дальнейшем, при расчётах иммерсионного объектива, подфокусирующей и одиночной линз мы должны будем придерживаться получившихся значений W_им,W_пф, V_пф, V_им.

В результате конструкторской проработки мы получили следующие результаты:

l_к = 5 мм.

L₁ = 12 мм.

L₂ = 4 мм.

L₃ = 9 мм.

L_линз = 180 мм.

l_{им. об.} = 2 мм.

L_мчс = 10 мм.

l_ос / 2 = 22 мм.

l_кон = 242.85 мм.

d_мэ = 5 мм.

d_стекла = 5 мм.

W_пф = 60 мм.

V_пф = 30 мм.

W_им = 30 мм.

V_им = 334.85 мм.

5.Расчёт и проектирование катодоподогревательного узла

Исходные данные:

I_к.max = 4.8 мА

I_н = 1000 мА

U_к = 6.3 В

Режим работы – непрерывный.

В современных кинескопах применяются подогревные оксидные катоды (благодаря их хорошим параметрам) с покрытием из оксидов бария, стронция и кальция, нанесенным на металлическое основание (керн). Оксидный слой можно считать полупроводниковым материалом с донорной примесью. При активировании оксидного слоя появляется избыток бария, который восстанавливается из оксида и представляет собой донорную примесь, обеспечивая электронную проводимость.

Оксидные катоды являются долговечными (до 20000 ч), низкотемпературными (диапазон рабочих температур 900÷1200 К ) и обладают самой низкой работой выхода из всех термоэлектронных катодов (эВ) , высокой эффективностью (при работе катода в непрерывном режиме отбор тока с катода достигаетА/Вт ), обеспечивая при этом удельную эмиссию 0,04÷7,9 А/см².

Расчёт катода

Катод в кинескопах обычно выполняется в виде никелевого колпачка (керн катода с толщиной стенок мм), торец которого покрывается оксидным слоем толщиноймкм (нанесенным пульверизацией) или толщиной в несколько мкмпри нанесении покрытия методом катафореза . В полости керна катода размещается подогреватель. Катодоподогревательный узел (КПУ) чаще всего закрепляется на керамической шайбе, которая одновременно выполняет функции электро- и теплоизолятора. КПУ и цилиндр модулятора кинескопа (в который встраивается КПУ) образуют катодно-модуляторный узел (рис.5.1.).

В силу быстрого развития вакуумной электроники, нету смысла задаваться большой долговечностью. Потому что идет постоянный выпуск новых более совершенных вакуумный приборов. Используем таблицу 5.1 Выбираем почти минимальную долговечность 3000 часов. По таблице 5.1. находим рабочую температуру T_к = 1070[К], удельную мощность излучения оксидного покрытия

Р_{уд. окс.} = 2.7 [Вт/см²]и постоянную составляющую плотности тока j₀ = 0.2 [А/см²].

С целью обеспечения надёжной работы катода в течение всего периода заданной долговечности выбирается величина j₀₁, в несколько раз (k) ниже j₀. Где k = 2…8 (в зависимости от долговечности: чем выше долговечность, тем выше значение коэффициента k). Возьмем k = 4.

Тогда j₀₁ = == 0.05 [А/см²]

Рис. 5.1.. Конструкция катодно-модуляторного узла

Таблица 5.1.

Диапазон рабочих температур катода , К	Удельная мощность излучения , Вт/см2	Вид режима использования катода	Плотность тока , А/см2	Долговеч- ность , ч
		Непрерывный	0,05	20000
		Непрерывный	0,15	5000
		Непрерывный	0,2; 0,3	3000; 2000

С учётом того, что максимальный ток катода равен 150 мкА, толщину оксидного покрытия рекомендуется выбирать в пределах 20 – 70 мкм, в зависимости от долговечности. Мы зададимся небольшой долговечностью, поэтому зададимся

h_окс = 30 мкм = 0.03 мм

Рабочая площадь оксидного покрытия определяется как:

F_окс = == 0.096 [см²]

Отсюда мы можем найти диаметр оксидного покрытия:

F_окс = ;d_окс = == 0.35 [см]

Расчет размеров керна катода проводится с учетом сохранения теплового равновесия (условия, при котором температура катода постоянна во времени) в процессе работы катода: вся подводимая мощность должна полностью расходоваться во избежание перегрева и разрушения катода. При этом необходимо учесть, что подводимая мощность (P_н = I_н * U_н ) затрачивается в основном на лучеиспускание (излучение) P_изл и электронную эмиссию P_e. Но практика показывает, что >>, и для инженерных расчетов величинойможно пренебречь.

Тогда

P_н = P_изл.

Подводимая мощность рассеивается оксидным покрытием (F_окс) и непокрытой частью никелевого колпачка (F_Ni):

P_{изл =} P_уд.окс * F_окс + P_уд.Ni * F_Ni ,

где – удельная мощность излучения оксидного покрытия,P_уд.Ni – удельная мощность излучения никелевых поверхностей, принятая в 2 раза меньшей, чем P_уд.окс .

P_{изл =} P_уд.окс *( F_окс + 0.5 * F_Ni).

Подставляем в выражение известные нам данные и находим:

2.7*(0.096 + 0.5 * F_Ni ) = 6.3; F_Ni = 4.47 [см²]

Зададимся d_керна = 3 мм­ = 0.3 см, чтобы в него свободно входил подогреватель.

Зная площадь никелевого покрытия, диаметр кёрна и площадь оксидного покрытия, мы можем вычислить с помощью обычных формул для поверхности цилиндра длину кёрна:

F_Ni = π*d_керна *l_керна + π*/ 4 –F_окс

l_керна = ;l_керна = = 4.77 [см]

Реальная длина кёрна 3 – 5 мм .Оставшуюся мощность рассеет металлический спейсер, имеющий электрический контакт с никелевым керном предназначенного для фиксации расстояния между катодом и модулятором (рис.5.1.) Расчёт спейсера в данной работе не предусмотрен.

Выбираем

l_керна = 4 мм.

В результате расчёта мы получили следующие цифры:

l_керна = 4 мм

d_керна = 3 мм­

F_Ni = 4.47 см²

F_окс = 0.096 см²

h_окс = 0.03 мм

d_окс = 0.35 см

j₀₁ = 0.05 А/см²

Расчет подогревателя

Расчет подогревателя заключается в определении длины и диаметранити накала и базируется на заданных величинах,и на табличных данных, приведенных в табл. 5.2 для различных материалов и рабочих температур подогревателя. Обычно температура подогревателяпревышает температуру катоданаградусов в виду перепада температуры в изолирующем слое подогревателя и лучеиспускания поверхностью этого слоя. Задавшись величинойи выбрав материал подогревателя, определяют удельное сопротивление материала подогревателяи его удельную мощность излучения(табл. 5.2).

Зададимся =1300 (К). Выбираем сплав ВМ-50 (W – 50%, Mo – 50%). Применение этого сплава по сравнению с вольфрамом облегчает процесс изготовления подогревателей, снижает их хрупкость и увеличивает его прочность при высоких температурах. Кроме того, входящие в его состав W и Mo являются распространёнными и дешёвыми металлами.

По таблице 5.2. находим для ВМ-50:

ρ = 35.7* 10^-6 [Ом *См]

= 3.8 [Вт/см²]

Для расчётов длины и диаметра нити накала используем выражениями:

l_н =0.43* ; d_н = 0.74

l_н =0.43 * = 33.8 см

d_н = 0.74 * = 15*10^-3 см

Для проверки правильности полученных результатов расчета можно воспользоваться зависимостью изображенной на Рис. 5.2.

Таблица5.2.

Мате- риал	Удельное сопротивление материала ρּ106 (Омּсм) при температуре Т, К							Удельная мощность излучения материала подогревателя , (Вт/см2) при температуре Т, К
	300	1000	1300	1400	1500	1700	1300		1400	1500	1700
W	5,65	24,9	34,1	37,2	40,3	46,8	2,57		3,83	5,5	10,6
Сплав BM-50 (W – 50 %, Mo – 50 %)	8,9	27,1	35,7	38,7	41,0	–	3,8		5,2	6,8	–
Сплав BM-80 (W – 20 %, Mo – 80 %)	7,0	25,25	33,7	36,7	39,6	–	–		–	–	–
Сплав BP-20 (W – 79 %, Re – 21 %)	–	47,0	56,3	59,1	61,8	68,6	–		3,56*	–	11,2

^* Черненый подогреватель

Рис. 5.2. График определения длины и

диаметра проволоки подогревателя по

заданным его мощности и температуре

получается достаточно большой, поэтому уместно конструировать подогреватель в виде бифилярной спирали, у которой бифилярная спираль наматывается из проволоки, предварительно навитой в виде первичной спирали.(рис.5.3.)

Рис. 5.3. Обозначение размеров подогревателя, выполненного в

виде бифилярной биспирали.

_{Обозначения принятые на рисунке 5.3.:}

-шаг намотки первичной спирали

- шаг намотки бифилярной спирали

–средний диаметр витка бифилярной спирали,

–диаметр оправки для навивки бифилярной спирали

–диаметр оправки, на которую навивается первичная спираль

–диаметр готового подогревателя

-зазор между стенкой керна и подогревателем

- диаметр кёрна

- толщина наружного слоя изоляционного покрытия подогревателя.

Зададимся величиной . Обычно изолирующее покрытие изготавливается из алунда (Al₂O₃) толщиной ~ 0,1мм. Пусть =0.1мм.

зададимся 0.5мм., h_з­ – зазор между стенкой керна катода и подогревателем.

d₀ зададимся как 1.5* d_н; d₀ = 1.5 * 0.15 = 0.225 мм

Шаг бифилярной спирали должен удовлетворять условию (см. рис. 5.2.):

h ≥ d₀ + 2 d_н + 2Δ_из.

h ≥ 0.575 мм

Длина готовой спирали подогревателя должна удовлетворять условию:

L_п ≤ l_к - h_ст (где h_ст толщена стенок кёрна катода равная 0.1мм)

L_п ≤ 4.9 мм.

Чтобы получить целое число витков спирали зададимся:

L_п = 4.9 мм.

h = 0.6 мм.

Тогда, число витков бифилярной спирали:

n_б.с. = L_п / h = 8

Диаметр готового подогревателя:

D_n = d_к – 2h_ст – 2h_з = 3 – 2*0.2 – 2*0.5 = 1.6 мм

Расчет оправки для навивки бифилярной спирали:

D₀ = D_n – 2d₀ – 4dн – 2 Δ_из = 1.6 – 2*0.225 – 4*0.15 – 2* 0.1 = 0.35 мм

Расчет среднего диаметра витка бифилярной спирали:

D_с = D₀ + d₀ = 0.35 + 0.225 = 0.575 мм

Длина первичной спирали:

l_п.с. = n_б.с. * D_с *π = 8 * 0.575 * π = 14.45 мм

Находим число витков первичной спирали:

n_п.с. = =

l_{1 вит} - длина проволоки одного витка первичной спирали

l_{1 вит} = π*( d₀ + d_н) = π * (0.225 + 0.15) =1.18 мм

n_п.с. = ===287

h₀ = == 0.05мм

Остаётся задаться толщиной изолирующего покрытия между соседними витками первичной спирали , которое может быть гораздо меньше, т.к. между соседними витками незначительная разность потенциалов.находим из условия:

h₀ ≥ d_н + 2

≤0.025 мм

Зададимся = 0.02 мм.

В результате расчёта подогревателя мы имеем следующие числа:

l_н = 338 мм.

d_н = 0.15 мм.

Δ_из = 0.1 мм.

= 0.02 мм.

d₀ = 0.225 мм.

D₀ = 0.35 мм.

D_c = 0.575 мм.

D_n = 1.6 мм.

L_п = 4.9 мм.

l_п.с. = 14.45 мм.

h_ст = 0.1 мм.

h₀ = 0.05 мм.

h = 0.6 мм.

n_п.с. = 287 мм.

n_б.с. = 8 мм.