Федеральное агентство по образованию

___________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет «ЛЭТИ»

_____________________________________________________

А. П. КАРНЫШЕВ, А. К. ШАНУРЕНКО

Особенности тепловых процессов в мощных генераторных лампах

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2007

УДК 621.385

ББК 3 851.123я7

К24

К24 Карнышев А. П., Шануренко А. К.

Особенности тепловых процессов в мощных генераторных лампах: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. 80 с.

ISBN

Рассмотрены методы теплового расчета катодных узлов и анодов с принудительным водяным и испарительным охлаждением.

Предназначено для студентов специальности 210105 «Электронные приборы и устройства» при изучении лекционного курса и в ходе курсового проектирования по дисциплинам «Вакуумные приборы и устройства», «Инженерные методы расчета электронных приборов», «Мощные электронные приборы с электростатическим управлением», а также дипломного проектирования в ходе целевой подготовки на предприятиях электронного приборостроения.

УДК 621.385

ББК 3 851.123я7

Рецензенты: кафедра физической электроники СПбГПУ; д-р техн. наук С. А. Силаев (ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова).

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

ISBN © СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007

Введение

Несмотря на успехи в области полупроводниковой техники, при построении передатчиков с большой выходной мощностью по-прежнему используются только электронные лампы.

Широкое применение нашли генераторные лампы с электростатическим управлением электронным потоком, обладающие высоким коэффициентом усиления по мощности. Они могут работать в телевизионном диапазоне УКВ, а также в современных коротковолновых и средневолновых передатчиках с амплитудной модуляцией; способны отдавать большую мощность без потери качества сигнала в течение более 5000 часов работы.

По конструкции такие лампы имеют коаксиальную систему выводов, внешний цилиндрический анод и металлокерамическую оболочку, благодаря чему они легко присоединяются к внешней колебательной системе; содержат прямонакальный цилиндрический катод из карбидированного торированного вольфрама, который уже через несколько секунд после подачи напряжения накала готов к работе.

Особый класс представляют лампы СВЧ-диапазона, работающие в специальной радиотехнической и электрофизической аппаратуре. Отличительной особенностью этих ламп является внутренний анод малых размеров, окруженный ячейками из отдельных прямонакальных катодов и сеток.

По своей сути генераторная лампа, работающая в радиотехническом устройстве, представляет собой преобразователь энергии постоянного электрического тока в энергию высокочастотных электрических колебаний. Работа лампы, как и любого преобразователя, сопровождается нежелательными потерями энергии, которые в форме тепла выделяются на электродах. Эти диссипативные потери называются мощностью рассеяния, их значение нормировано для каждого электрода.

Наибольшее количество тепла выделяется на аноде, самой массивной части лампы. Математически соотношение между подводимой и выходной мощностью может быть представлено формулой , где ;  коэффициент полезного действия, зависящий от угла отсечки тока, может составлять 5070 % и ниже;  мощность, рассеиваемая на аноде в форме тепла в результате бомбардировки электронами его внутренней поверхности.

Эти потери вместе с более низкими потерями на сетке и потерями от накала должны быть отведены от лампы в окружающую среду надежным и по возможности простым способом, иначе произойдет перегрев электродов и их разрушение за короткое время.

Надежность работы и стабильность параметров лампы в значительной степени определяются температурным состоянием ее электродов. В связи с этим, при разработке лампы должно быть уделено большое внимание, с одной стороны, расчету теплового режима электродов, с другой  проработке конструкции теплоотводящих устройств и поиску эффективных и экономичных способов охлаждения.

Температурный режим электрода зависит не только от мощности рассеяния, но и от концентрации этой мощности на единице нагреваемой или охлаждаемой поверхности. Мощность рассеяния, отнесенная к единице поверхности, называется удельной тепловой нагрузкой, теплонагруженностью поверхности или плотностью теплового потока и обозначается [Вт/м²].

Как правило, лампы КВ-, СВ- и ДВ-диапазонов имеют удельные тепловые нагрузки на аноде до Вт/м², а СВЧ-диапазона  до Вт/м².

При мощностях рассеяния на аноде свыше 50 кВт для отвода в окружающую среду столь высоких тепловых нагрузок применяется, в основном, водяное охлаждение, обладающее наибольшей эффективностью. Водяное охлаждение электровакуумных приборов стало применяться с мо-мента создания рентгеновских трубок в начале прошлого века. Достоинства этого способа охлаждения связаны с тем, что вода – одно из самых распрост-раненных и доступных веществ – обладает непревзойденными теплоотводя-щими свойствами, с помощью движущейся воды можно отводить удельные тепловые потоки до кВт/м².

Если лампа работает при отрицательной температуре окружающей среды, то для ее охлаждения иногда используют незамерзающие жидкости  антифризы, в большинстве случаев представляющие собой смеси дистиллированной воды и этиленгликоля [1].

Имеется две принципиально отличающиеся системы водяного охлаждения:

1) испарительная; 2) с принудительной подачей воды под давлением к охлаждаемой поверхности.

Чрезвычайно важное значение для работы мощных ламп имеет тепловой режим катодной цепи, от которого зависит формоустойчивость катодно-сеточного узла и эмиссионные свойства катода.

В данном учебном пособии, которое является продолжением учебного пособия [2], приведены методы теплового анализа водяных систем охлаждения анодов и теплового расчета катодной цепи наиболее часто применяемого на практике вольфрамового торированного карбидированного катода решетчатой конструкции.