Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование переноса электрических зарядов в электровакуумных приборах с электростатическим управлением. Учебное пособие
.pdf
3.1. Современные конструктивные направления разработки мощных…
91
Секции, показанные на рис. 3.1 и 3.2, используют принцип элек-
тростатической фокусировки электронов, а на рис. 3.3 приведена схема
триода, в котором применяется магнитная фокусировка. Во всех секциях
траектории электронов показаны пунктирными стрелками.
Общим для конструкций электростатических линз является наличие
плоского прямонакального катода К и ребристого прикатодного электрода,
в пазах которого размещается катод. В секциях на рис. 3.1, 3.2 и 3.5 прикатодный электрод имеет потенциал катода и выполняет функцию только фокусирующего электрода (ФЭ). В остальных же секциях (рис. 3.7 и 3.8) на
ребристую поверхность управляющего электрода навита и запрессована
проволочная сетка. Экранирующие электроды С2 в разных секциях также
различаются конструкцией и потенциалами. В секциях на рис. 3.2 электрод
С2 непосредственно связан с ФЭ и, следовательно, имеет потенциал катода.
Лампы с такими секциями получили название триодов с защитной сеткой
или экранированных триодов. В секциях на рис. 3.5 и 3.8 электроды С2 могут иметь любой положительный потенциал.
Секции магнитной фокусировки электронов в большей степени
различаются между собой. Конструкция, изображенная на рис. 3.3, используется в вакуумном полевом триоде. Она имеет плоский прямонакальный катод и сетку в виде двух взаимно параллельных пластин (или
отрезка трубы прямоугольной формы). Проницаемость такой сетки D = 0.
Поэтому отбор катодного тока возможен только при положительных
напряжениях на сетке. Для устранения наблюдаемого при этом перехвата
электронов сеткой используется продольное магнитное поле. Секция, показанная на рис. 3.6, является двухсторонней, поскольку формирует два
противоположно направленных электронных пучка. Наконец, секция
(рис. 3.9) представляет конструктивную основу триода, получившего
название «инжектрон». Он отличается необычным для триодов расположением анода, поверхность которого перпендикулярна оси вращения катода и управляющего электрода, имеющих коническую форму. Для нормальной работы инжектрона требуется создание магнитного поля,
направленного вдоль прибора.
3. Особенности конструктивного синтеза и технологии изготовления…
92
Рис. 3.1. Схема триодной секции с ФЭ
Рис. 3.2. Схема триода с защитной
сеткой
Рис. 3.3. Схема вакуумного полевого
триода
Рис. 3.4. Схема триодной ячейки
Рис. 3.5. Схема тетрода с ФЭ
Рис. 3.6. Схема двухсторонней секции
Рис. 3.7. Схема триода с ФЭ
Рис. 3.8. Схема тетродной ячейки
3.2. Особенности реализации деталей и узлов генераторных ламп
93
В
Рис. 3.9. Схема инжектрона
3.2. Особенности реализации деталей и узлов генераторных ламп
В генераторных лампах используют вольфрамовые, карбидирован-
ные и оксидные катоды, а в последнее время стали применять оксидно-ториевые и другие типы катодов. В мощных генераторных лампах непрерывного режима максимальные анодные напряжения варьируются в интервале
10–15 кВ. Это обстоятельство затрудняет использование сложных катодов
из-за возможной интенсивной ионной бомбардировки. Для того чтобы избежать разрушения сложных катодов и устранить возможные пробои, следует увеличивать требования к вакууму. В настоящее время удалось применить карбидированные катоды в генераторных лампах мощностью
100 кВт и более. Кроме того, в них успешно используют оксидно-ториевые
катоды, которые обладают большей устойчивостью по сравнению с карбидированными и торированными катодами.
Оксидные катоды используют в маломощных и импульсных лампах,
хотя последние работают при анодном напряжении, достигающем 35–50 кВ.
Возможность применения оксидного катода при высоких напряженностях
электрического поля объясняется малой продолжительностью импульса.
В этом случае разрушение катода и условия пробоя лампы затруднены. Особенно хорошо работают в импульсном режиме специальные катоды типа
«спеченных», позволяющие получать большие плотности импульсных токов
без появления эффекта искрения.
Сетки генераторных ламп обычно изготавливают из тугоплавких ме-
таллов: молибдена или вольфрама. Вольфрам применяют в мощных ЭП.
Для охлаждения сеток имеет значение толщина траверз; их большая толщина позволяет лучше отводить тепло от витков сетки. В маломощных
3. Особенности конструктивного синтеза и технологии изготовления…
94
лампах к траверзам приваривают черненые радиаторы для их охлаждения,
а в мощных лампах выводы сетки делают с воздушным или водяным охлаждением.
Чернение сеток цирконием понижает их температуру за счет увеличения лучеиспускания. В лампах с оксидным катодом иногда применяют
золочение сеток, что повышает работу выхода поверхности сеток и ведет к
уменьшению запыления их барием (барий диффундирует внутрь покрытия) и, таким образом снижает вторичную эмиссию и термоэмиссию сеток.
Однако следует отметить, что покрытие поверхности сеток имеет смысл
только при достаточно низкой температуре, когда не происходит быстрого
испарения покрытия.
В маломощных генераторных лампах анод охлаждается за счет лучеиспускания сквозь стеклянную колбу лампы. В мощных лампах, где на
аноде могут выделяться мощности, достигающие десятков и сотен кВт,
требуется искусственное охлаждение анода. С этой же целью анод выполняют, как и основную часть оболочки лампы, из материала, обладающего
вакуумно-непроницаемыми свойствами и большой теплопроводностью.
Этим требованиям лучше удовлетворяет красная медь.
При водяном охлаждении анод погружают в бак с проточной водой,
а в случае воздушного охлаждения к аноду припаивают специальный ребристый радиатор, через который пропускают охлаждающий его воздух.
При искусственном охлаждении допустимые удельные мощности
рассеяния на аноде лампы существенно возрастают по сравнению со значениями, характерными для этой же лампы без охлаждения. При условии, что
один кВт мощности рассеяния на аноде его поверхность обтекается водой
со скоростью 1–4 л/мин, возможно получить удельную мощность, равную
20–30 Вт/см2. При больших скоростях удельная мощность может быть до
50–100 Вт/см2. В специальных типах ламп – вапотронах, где применяют
охлаждение анода за счет потери тепла на парообразование охлаждающей
воды, удельная мощность достигает значений 80–120 Вт/см2. Это оказывается возможным вследствие того, что с помощью специальных выступов из
материалов с большой теплопроводностью, укрепленных на поверхности
анода удается разрушать паровую оболочку, которая нарушает контакт
анода с водой.
3.3. Специфика конструирования мощных усилительных ламп низкой частоты
95
Конструирование ламп большой мощности связано со значитель-
ными техническими и технологическими трудностями. Наибольшая колебательная мощность получена у триодов как у самых простых по конструкции ламп. В настоящее время изготовлены генераторные триоды мощностью 300 кВт.
Для очень больших мощностей (порядка 500 кВт и более) создают
разборные лампы. В этих лампах нет запаянной колбы. Вместо этого колба
составляется из отдельных пришлифованных частей и для поддержания необходимого вакуума во время работы находятся под непрерывной откачкой. Достоинством такой разборной конструкции является возможность замены деталей лампы, например, перегоревших катодов.
3.3. Специфика конструирования мощных усилительных
ламп низкой частоты
Мощные усилительные лампы низкой частоты конструируются
обычно в виде триодов, отличающихся от генераторных триодов более редкой сеткой, что позволяет работать при значительных отрицательных напряжениях сетки, когда нет сеточных токов. Такой режим трехэлектродной
лампы обусловлен прежде всего тем, что появление значительных сеточных
токов приводят к значительному искажениям усиливаемого сигнала. Важным усовершенствованием низкочастотных мощных усилительных ламп
была разработка триодов с магнитной фокусировкой электронного потока.
За счет магнитной фокусировки в этих лампах снижена в 10–15 раз величина
сеточного тока по сравнению с обычными триодами. В результате увеличился коэффициент усиления по мощности и КПД.
Схема двухсторонней конструкции триода с магнитной фокусиров-
кой в разрезе показана на рис. 3.6. В этом случае прямонакальный катод
размещается в центре лампы. По обе стороны от него помещены сетка и
анод. Нормальное к поверхности катода магнитное поле фокусирует электронный поток в зазоры между соседними витками сетки. Размещение
сетки и анода с разных сторон катода ведет к лучшему использованию его
площади по сравнению с конструкциями ламп, в которых сетка размещается только с одной стороны катодов.
3. Особенности конструктивного синтеза и технологии изготовления…
96
3.4. Методы, обеспечивающие поддержание вакуума
в электронных приборах
Присутствие в электронном приборе даже следов газа или пара резко
изменяет его характеристики. Кроме того, недостаточное извлечение из
него газа вызывает неустойчивость работы РЭА, изменение её параметров
и сокращение срока службы. Обычно в хорошо откачанных электронных
лампах в зависимости от их типа и назначения требуется поддерживать давление от 10–6 до 10–8 мм рт. ст. Получение и поддержание такого разреже-
ния при длительной работе ламп составляет одну из основных задач вакуумного производства.
При современном совершенстве вакуумных насосов основной трудностью является не сам процесс удаления газов из баллона лампы, а устранение последующих выделений газов из стеклянных и металлических частей конструкции. Опыт показывает, что все применяющиеся в электровакуумной технике материалы (как изоляторы, так и металлы) при их изготовлении и хранении способны поглощать газы, особенно пары воды.
Отчасти эти газы растворяются в самой толще материала или находятся в виде тонких адсорбционных пленок на его поверхности.
В дальнейшем, при помещении такого вещества в разреженное пространство, эти поглощенные газы медленно выделяются и, таким образом,
ухудшают вакуум. Чем выше температура, тем скорее происходит процесс
обратного выделения газов. По этим причинам ряд металлов, как, например, алюминий и большинство сортов стали, непригоден для изготовления
вакуумных изделий.
Выделение газов может происходить из деталей лампы за счет всяких загрязнений и окислов, если эти конструктивные элементы перед употреблением были недостаточно тщательно очищены, а также за счет медленных натеканий через тончайшие капилляры и трещины, обычно в местах впая выводов. Для удаления адсорбированных газов в процессе откачки лампа подвергается прогреву в печах до температуры 400–500°C.
При этом выделяется газ в основном из стекла.
Металлические части лампы подвергаются особому прогреву до
800°C и выше при помощи токов высокой частоты или методом электрон-
ной бомбардировки. В первом случае лампу помещают в магнитное поле
3.4. Методы, обеспечивающие поддержание вакуума в электронных приборах
97
катушки, по которой проходит ток высокой частоты. Наводимые высокочастотным магнитным полем вихревые токи в металлических деталях
лампы нагревают их до надлежащей температуры. Во втором случае, когда
лампа имеет уже достаточный вакуум, накаливают ее катод до получения
необходимого эмиссионного тока I и прикладывают достаточно большую
разность потенциалов U между катодом и прогреваемой металлической деталью, чтобы выделяемая на этой детали мощность P = I·U разогрела ее до
требуемой температуры. Второй процесс, как требующий большего времени, обычно применяется только в мощных и дорогих генераторных лампах, а также при прогреве деталей, которые по тем или иным причинам
нельзя поместить в высокочастотном поле (например, сетки ламп, окруженные анодом, экранирующим их).
Даже при самой тщательной откачке только что снятая с откачного
поста лампа обычно имеет давление остаточного газа порядка
10–4–10–5 мм рт. ст. Дальнейшее удаление остатков газа производится или
мого жестчения. Известно, что многие вещества, как, например, магний,
кальций, барий, натрий, цезий и т.п., при их возгонке способны поглощать большое количество газов. Отличие между типами поглотителей
сводится к различной их активности по отношению к тем или иным газам.
Так, например, магний достаточно активен по отношению к кислороду,
но недостаточно активен к азоту и водороду.
Наиболее активными к большинству газов являются металлический
барий и кальций. На практике чаще всего употребляются барий или сплавы
бария с магнием, кальцием или алюминием, так как металлический барий
легко окисляется на воздухе, что затрудняет его применение в чистом виде.
Опыт показывает, что процесс поглощения происходит значительно более
энергично, если распыление происходит в электрическом поле. Это является
следствием того, что химическое и физическое (адсорбционное) взаимодействие между молекулами газа и поглотителем в ионизованном и возбужденном (активном) состояниях идет интенсивнее, чем в неактивном состоянии.
Если подсчитать время свободного существования молекул пара и
вероятность их столкновения за это время с газовыми молекулами, то нетрудно понять, что процесс поглощения в объеме прибора играет лишь ча-
3. Особенности конструктивного синтеза и технологии изготовления…
98
стичную роль, и поглощение паров в значительной мере происходит благодаря адсорбции на поверхности металлического зеркала, которое получается на стекле баллона при распылении поглотителя. Это явление объясняется образованием на поверхности поглощающего слоя пленки прочно связанного с ним адсорбированного газа.
Процесс распыления поглотителя иногда производится в приборе
еще на откачном посту, но чаще после откачки и отпайки его. Разогревание
до температуры, достаточной для энергичного испарения поглотителя, осуществляется при помощи разогревания соответствующих деталей лампы
высокой частотой (как это описано выше) или при помощи электронной
бомбардировки металлических частей лампы эмиссионным током катода.
Скорость, с которой в современной электронной технике производят
откачку ламп массового потребления на автоматах, не обеспечивает достаточного обезгаживания металлических частей таких ламп. Поэтому удаление остатков газа при помощи поглотителей является совершенно необходимым для них процессом. Особенно большую роль поглотители играют в
современных лампах с металлическими баллонами, где прогрев высокой
частотой вообще не применяется, так как высокочастотное поле в этом случае внутрь лампы не проникает, и прогреву подвергается только баллон.
При откачке мощных ламп и других приборов, работающих при высоких
напряжениях, поглотители обычно не применяются, так как напыление поглотителя на изоляторы может понизить электрическую прочность изоляции. Можно ожидать также, что барий и кальций, входящие в состав поглотителя, попадая на некоторые части лампы, находящиеся в поле с высокой
напряженностью, могут способствовать пробою за счет возникновения автоэлектронной эмиссии.
Аналогичным удалению газов при помощи поглотителей является
так называемый процесс саморазрежения (жестчения) ламп, который особенно часто применяется в лампах с вольфрамовым катодом. Процесс состоит в том, что в готовой уже лампе для удаления остатков газа на некоторое время повышают напряжение накала и соответственно подбирают
анодное и сеточное напряжения.
Под влиянием электрического поля ионизированные частицы остаточных газов плотно пристают к поверхности стекла. Этим путем можно
значительно повысить разреженность газа в лампе.
3.4. Методы, обеспечивающие поддержание вакуума в электронных приборах
99
Следует отметить, что процесс саморазрежения не дает результатов,
если в лампе присутствуют пары воды. На накаленном катоде пары воды
разлагаются, образуя свободный кислород и водород. Кислород вступает в
реакцию с вольфрамом нити и дает летучие соединения, которые испаряются с катода, оседают на стенках, а там вновь отдают кислород при воздействии на них атомарного водорода, образующегося на горячей вольфрамовой нити при диссоциации молекул воды и водорода. В результате снова
образуются пары воды, а вольфрам переносится с катода на стенку, на
стекле образуется налет металлического вольфрама, а вновь образующиеся
пары воды продолжают процесс разрушения вольфрамовой нити.
Обычно для внутренних металлических частей ламп в вакуумной
технике употребляются никель, молибден и тантал. Наиболее выгодным в
смысле обезгаживания является тантал. Этот металл имеет высокую температуру плавления и, будучи достаточно хорошо прокален при откачке, в
дальнейшем при работе лампы не выделяет газов даже при температуре
светложелтого каления. Однако тантал сравнительно дорог, вследствие
чего в лампах массовых серий чаще всего применяется никель в качестве
основного материала для изготовления электродов.
Контрольные вопросы [1-47]
100
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ [1-47]
1. Устройство и принцип действия вакуумного диода.
2. Ток термоэлектронной эмиссии.
3. Закон степени 3/2, первеанс диода.
4. Эффект Шоттки.
5. Зависимость тока от электрического поля в вакуумном диоде при от-
рицательном анодном напряжении.
6. Эмиссионные характеристики диода.
7. Анодная характеристика двухэлектродной лампы.
8. Причины различия опытных и теоретических характеристик диода.
9. Статические параметры вакуумного диода.
10. Зависимость параметров диода от величин Ua, Uн.
11. Как определялись масштабы по напряжению и току при измерении ха-
рактеристик диода?
12. Принцип работы диодного ограничителя.
13. Методика расчета характеристик диодного ограничителя.
14. Устройство и принцип действия вакуумного триода.
15. Катодно-анодная и катодно-сеточная характеристики трехэлектрод-
ной лампы.
16. Анодная и анодно-сеточная характеристики триода.
17. Сеточная и сеточно-анодная характеристики триода.
18. Закон «степени 3/2» и первеанс вакуумного триода.
19. Влияние объёмного заряда на токораспределение в триоде.
20. Динатронный эффект сетки и анода в триоде.
21. Статические параметры триода.
22. Как определить параметры триода методом двух отсчётов?
23. Частотные свойства параметров триода.
24. Эквивалентные схемы триода.
25. Влияние междуэлектродных ёмкостей на усилительные свойства три-
ода.
26. Режимы токораспределения в триоде.
27. Внутреннее уравнение трехэлектродной лампы.
28. Островковый эффект.
29. Эффект виртуального катода.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]