Sb98836

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

А. А. ЛИСЕНКОВ С. А. МАРЦЫНЮКОВ Д. К. КОСТРИН

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2019

УДК 533.9:621.387 ББК 32.844 Л63

Лисенков А. А., Марцынюков С. А., Кострин Д. К.

Л63 Конструирование и технология электронных приборов: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 32 с.

ISBN 978-5-7629-

Содержит материалы по курсу «Конструирование и технология электронных приборов». Рассматриваются основы конструирования и изготовления электронных приборов, которые базируются на использовании сочетания разнообразных свойств материалов и физико-химических процессов, влияние процессов на свойства приборов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника».

УДК 533.9:621.387

ББК 32.844

Рецензент д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник АО «ЦНИИ “Электрон”» Р. М. Степанов.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

Введение

Основной задачей проектирования электронных приборов является определение размеров и конфигурации всех электродов. Геометрия электродов рассчитывается из условий токопрохождения, удовлетворяющих заданным параметрам электрического режима (анодному току, напряжениям на электродах, коэффициенту усиления, крутизне). Затем определяют возможность рассеяния мощностей, выделяющихся на электродах во время работы прибора. С точки зрения анализа тепловых процессов электронный прибор является сложной системой. Температурные режимы электродов рассчитывают с учетом теплообмена между всеми элементами системы. Тепловой расчет позволяет оценить работоспособность электродов в условиях длительной эксплуатации.

В настоящее время увеличилась мощность, отдаваемая в нагрузку, уменьшились габариты приборов и стали более разнообразными варианты их конструктивного исполнения, поэтому возросли требования к надежности работы электронных приборов.

Следует отметить, что в качестве исходной литературы для расчета катода использовались работы В. С. Прилуцкого [1].

1. Катоды электронных приборов

Особенности расчета катода. Развитие и совершенствование вольфрамового торированного карбидированного катода (ВТКК) привело к созданию двух наиболее часто применяемых в мощных электронных приборах конструкций: решетчатой и стержневой.

Решетчатая конструкция позволяет существенно увеличить эффективную поверхность катода и снизить влияние охлажденных концов. Она представляет собой цилиндрическую сетчатую систему, состоящую из двух многозаходных спиралей, идущих навстречу друг другу с углами навивки β и (180 – β). Точки пересечения нитей эквипотенциальны и могут быть сварены контактной электросваркой. Как правило, число право- и левозаходных спиралей (нитей) одинаково (решетка имеет n пар спиралей), однако в некоторых случаях для повышения эффективности применяют различное число право- и левозаходных спиралей. Иногда для повышения формоустойчивости катода за счет натяга, компенсирующего термическое расширение катода, применяют расположение нитей вдоль продольной оси.

3

Стержневые катоды применяются в приборах ячейкового типа СВЧдиапазона, где требуются короткие и относительно толстые катоды. Для выравнивания температуры вдоль катода предусмотрены участки на его концах с меньшим поперечным сечением (шейки). Такие катоды могут иметь карбидный слой большой толщины (до 100 мкм) и повышенную до 2100 К рабочую температуру, что увеличивает их эффективность при достаточной долговечности. Основными параметрами, определяющими эксплуатационные свой-

ционных пределах. Однако с ростом температуры, несмотря на улучшение эмиссионных свойств и эффективности катода, резко снижается его долговечность. Оптимальная рабочая температура определяется как конструктивными особенностями катода, так и рабочими параметрами прибора, в котором он применяется, и лежит в диапазоне 1950…2050 К.

При расчете катодов сложных конструкций следует иметь в виду, что указанные параметры ВТКК относятся к катодам, представляющим собой одиночные нити либо конструкции, которые можно рассматривать как совокупность одиночных нитей, не оказывающих влияния друг на друга.

Расчет эквитемпературного катода. Методика расчета эквитемпера-

турного ВТКК при рабочей температуре 2000 К базируется на теории идеального катода [2]. Исходными данными для расчета служат:

ветственно, для γ = 10, 20, 30, 40, 50 %;

4

– эффективность карбидированного катода в зависимости от степени покрытия торием: Hкар|Т = 2000 К = 0.04…0.07 А/Вт.

На основании указанных данных для катода длиной L и диаметром D, пренебрегая влиянием охлажденных концов и рассматривая катод как идеальный, получаем следующие расчетные формулы:

Приведенный расчет является приближенным, получаемая ошибка тем меньше, чем меньше влияние охлажденных концов. Удовлетворительный результат получается лишь при проектировании катодов в виде длинных одиночных нитей и редких спиралей. К недостаткам указанной методики следует отнести и ее привязку к конкретной температуре катода.

Следует отметить, что при расчете решетчатых катодов, которые можно рассматривать как совокупность одиночных нитей, не оказывающих влияния друг на друга, в (1.6) и (1.7) вместо Ie необходимо подставить Ie = Ie/N, где N – количество параллельно включенных нитей катода.

Учет влияния охлажденных концов. ВТКК может быть произведен на основе теории реального прямонакального катода. Используя уравнение теплопроводности Фурье и учитывая потери тепла на лучеиспускание и энергию джоулева разогрева током накала, можно записать уравнение, определяющее тепловой режим реального катода:

5

где – коэффициент теплопроводности, Вт/(К см); q – площадь поперечного сечения нити катода, см2; – удельная мощность излучения, Вт/см2; S0 – периметр поперечного сечения катода, см; Iн – ток накала, А; – удельное сопротивление материала катода, Ом см.

Для достаточно протяженного катода с длиной, существенно превосходящей размер холодных концов ( L x0 ), с учетом того что в середине таких ка-

Выражение (1.11) позволяет определить длину охлажденного конца катода, если задана температура в точке, ограничивающей холодный конец, при условии малого изменения тока эмиссии. Например, при T 0.999Tmax получаем:

Вследствие влияния охлажденных концов у реального катода по сравнению с идеальным при одинаковом токе накала напряжение накала меньше, а следовательно, и меньше ток эмиссии.

6

Сравнение идеального и реального катодов позволило ввести поправки

n Ue Uн , следовательно, поправки могут быть определены экспериментально сравнением двух катодов, отличающихся только L.

Используя (1.2), (1.5), с учетом (1.14), (1.15) получаем:

На практике при расчете реального ВТКК в (1.6) и (1.7) вместо заданного значения напряжения используют напряжение накала идеального катода Uн.и Uн n Uн . Для расчета поправки на охлажденные концы использует-

ся выражение Uн 1.3 104(Тк 400) .

Учет коэффициента самооблученности. Рассмотренные методики расче-

та эквитемпературного катода, строго говоря, справедливы для одиночных нитей или катодов, состоящих из достаточно удаленных друг от друга нитей. В отличие от одиночной нити температура нити в решетчатом катоде определяется не только подводимой к ней мощностью, но и многократным отражением лучистых потоков. Влияние этого эффекта на тепловой режим катода характеризуется коэффициентом самооблученности ( ), представляющим собой долю излучаемой катодом мощности, которая в результате многократных отражений поглощается им обратно. Если не учитывать самооблученность катода, то его реальная температура будет превышать расчетную, что существенно снизит ожидаемый срок службы.

7

Ввиду значительной трудоемкости теоретического расчета коэффициента самооблученности для его определения используется экспериментальный способ. Снимается зависимость температуры катода от тока накала для катодов с различными геометрическими характеристиками. Так как диаметр нити катода значительно меньше ее длины, в центре катода обеспечивается равенство плотности джоулева тепловыделения (удельной мощности накала) и плотности потока излучения, которые для решетчатого катода определяются, соответственно, выражениями

где γ – степень карбидирования катода; I – ток накала, А; D – диаметр проволоки катода, см; N – количество нитей катода; Т – температура катода, К;

0( )T n( ) – аппроксимация зависимости удельного сопротивления от степе-

ни карбидирования и температуры; T m 0 (T )T 4 (σ0 – постоянная Стефана Больцмана; (T ) – излучательная способность материала катода).

В диапазоне 1600…2200 К величины 0( ) и n( ) вычисляются по формулам:

–для материала ВР10Т2.

Сучетом равенства q f qr , после аппроксимации зависимости qr от Т

методом наименьших квадратов, определяется по формулам

где i = 1, 2, …, S – число измерений. Обработка результатов экспериментов методом регрессионного анализа позволила установить эмпирическую зависимость коэффициента самооблученности от геометрических характеристик исследуемого катода:

8

щий отношение поверхности, занятой нитями в решетке, к цилиндрической поверхности решетки (β – угол навивки нитей); Н – высота катода; Dк – диаметр катода (см. рис. 1.1).

С учетом (1.16) зависимость температуры в центре катода от его материала, геометрии и параметров определяется выражением

На рис. 1.2 приведены рассчитанные

где I I / N .

e e

Если коэффициент самооблученности не учитывается при проектировании катодов, то это приводит к превышению реальной температуры по отношению к используемой в расчете. Например, при 0.14 увеличение температуры достигает 70 С, что резко снижает ожидаемый срок службы катода.

Технология изготовления катодов. Основными причинами малой меха-

нической прочности ВТКК, в качестве исходного материала для которых используется вольфрам марок ВТ15 и ВР10Т2, являются:

9

–бинарная система проволок, составляющих катод, т. е. наружная поверхность – карбид вольфрама, а внутренняя – вольфрам;

–наличие у исходной проволоки достаточно большой приповерхностной зоны с повышенной микротвердостью, т. е. дефектного слоя.

Если первая из причин является свойством ВТКК, то вторая – следствием термомеханической обработки (волочение) исходного материала в процессе изготовления проволоки. Наличие деформированного слоя, а также развитого микрорельефа поверхности снижает механическую прочность исходного материала из-за большой напряженной области и поверхностных дефектов. Последнее усугубляется процессом карбидирования.

Наиболее эффективным методом обработки вольфрамовой проволоки (очистка от аквадага, удаление дефектного слоя) является электрохимическое полирование, в процессе которого на металле образуется тонкая оксидная пленка, затрудняющая растравливание металла под действием раствора. Толщина оксидной пленки меньше на микровыступах и больше на микровпадинах. Кроме того, в микровпадинах удерживается вязкий слой продуктов реакции металла с раствором. Все это приводит к тому, что микровыступы, на которых плотность тока больше, растворяются быстрее, чем микровпадины, следовательно, происходит сглаживание неровностей на поверхности металла, а также снятие дефектного слоя.

При электрохимическом полировании обрабатываемое изделие служит анодом. Эффективность сглаживания микронеровностей зависит от состава электролита, режима электролиза и степени шероховатости поверхности. Основное значение при этом имеет анодная поляризация.

На рис. 1.3 приведена кривая зависимости тока от напряжения при электрополировании. Участок кривой AB соответствует нормальному рас-

10