Катодный узел электровакуумного прибора

 

Использование: в электровакуумных приборах. Сущность изобретения: катодный узел электровакуумного прибора, содержащий катод, две нити накала, соединенные с телом катода, концы которых электрически связаны с токоподводящими опорами катодной ножки, закрепленными в изоляторе, дополнительно содержит два токоподвода, каждый из которых соединен с токоподводящими опорами катодной ножки и электрическое сопротивление нитей накала. Сами нити накала соединены с телом катода своей центральной частью, и концы этих нитей накала попарно соединены между собой токоподводами, равноудаленными от тела катода, образуя четыре ветви нитей накала между токоподводами и телом катода. 1 з. п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к электронной технике, более точно к электровакуумным приборам, и может быть использовано в электронно-лучевых приборах, в том числе в электронных пушках телевизионных кинескопов, в СВЧ-приборах, особенно в приборах, использующих электронные пучки повышенной плотности, а также в исследовательских и аналитических установках.

В ряде электровакуумных приборов и, в частности, электронно-лучевых трубках применяются катоды относительно небольшого размера 0,5-2 мм. Качество приборов их электрические, светотехнические параметры трубок, экономичность накала могут быть улучшены при уменьшении линейных размеров катода.

Миниатюрные катоды (здесь под миниатюрными подразумеваются катоды с линейным размером 0,5 мм и менее) трудно или невозможно изготавливать в широко распространенной конструкции катодного узла с косвенным подогревом [1] где катодный узел имеет камеру для помещения в ней подогревателя, гальванически несвязанного с катодом. В связи с этим в технике электровакуумных приборов, применяющих миниатюрные катоды, существует тенденция к переходу на широкоизвестную прямонакальную конструкцию катода.

Под прямонакальным катодом понимается катод, в котором тело катода прикреплено непосредственно к нитям накала. Нагрев такого катода осуществляется пропусканием тока накала через нити накала и тело катода. Нити накала служат не только подогревателем, но и держателем катода, от свойств которого зависит стабильность положения катода в электронной пушке и, стало быть, стабильность электрических свойств катода и пушки.

Так, например, известен катодный узел электровакуумного прибора [2] содержащий катод, две нити накала, соединенные с телом катода, концы которых электрически связаны с токоподводящими опорами катодной ножки, закрепленными в изоляторе.

В указанном катодном узле одни концы нитей накала соединены с телом катода, а другие концы непосредственно соединены с токоподводящими опорами катодной ножки. Недостатком такого катодного узла является резкая асимметрия механических свойств катода в направлениях, перпендикулярных продольной оси. Если в направлении, совпадающем с плоскостью, проходящей через обе опоры, жесткость конструкции велика, то в направлении, перпендикулярном вышеуказанному, жесткость незначительна, вследствие чего даже при относительно небольших механических условиях, например при тряске катодного узла, может появляться изгиб нитей накала и смещение катода относительно продольной оси электровакуумного прибора, что ведет к изменению тока катода и ухудшению электрических параметров прибора.

Нити накала в указанном катодном узле прибора привариваются электронно-лучевой сваркой или другими методами к части катода, изготовленной из вольфрама, тантала, молибдена или рения. Однако сварка вольфрамовой нити накала с вольфрамовым основанием катода имеет существенный недостаток, состоящий в том, что он требует подведения относительно большой мощности, нагревающей весь катод и приводящей его к преждевременному выходу из строя. Приварка вольфрамовых нитей к менее тугоплавким металлам более проста и не влияет на эмиссионные свойства катода, однако приводит в процессе эксплуатации катодного узла к диффузионному процессу, возникающему между материалами катода и нитей накала. По причине значительной разницы между коэффициентами диффузии атомов материала катода, с одной стороны, и атомов материала нитей накала, с другой стороны, этот процесс протекает с проявлениями коробления, характерного для диффузионных пар, в которых компоненты сильно отличаются один от другого по коэффициентам диффузии. Это выражается в короблении места сварки и отрыве нитей накала от тела катода. При размещении двух нитей в непосредственной близости одна от другой между ними возникает взаимодействие, приводящее не только к короблению тела катода, но иногда и его разрыву на части. Подобные явления наблюдаются в других катодах, изготовленных из материалов, уступающих по тугоплавкости вольфраму. В конечном итоге коробление места сварки приводит к изменению положения катода относительно продольной оси электровакуумного прибора. К короблению места приварки нитей накала и тела катода приводит также и разница в коэффициентах теплового расширения материалов нити накала и катода.

Кроме того, даже при изготовлении нити накала и тела катода из одного и того же материала, например вольфрама, возникают силы, приводящие к деформации катодного узла при эксплуатации катода в режиме циклического включения и выключения накала. Имеются в виду силы, возникающие при неравномерном нагреве отдельных частей катода при включении или неравномерном охлаждении при выключении накала.

Нестабильность геометрии катодного узла, наблюдающаяся по указанным выше причинам, приводит к изменению электрических параметров катодного узла и, как следствие, к изменению электрических параметров электровакуумного прибора и, в конечном итоге, приводит к его неработоспособности.

В основу изобретения положена задача создания катодного узла электровакуумного прибора, в котором соединение нитей накала с телом катода и токоподводящими опорами катодной ножки осуществлялось бы таким образом, чтобы обеспечивалась стабильность геометрии катодного узла при воздействии механических сил, например инерционных, и при воздействии сил, появляющихся в катодном узле в процессе его эксплуатации вследствие диффузионных процессов и вследствие наличия температурных градиентов, что привело бы к неизменности электрических параметров катодного узла и, как следствие, к стабильности параметров электровакуумного прибора во время работы.

Это достигается тем, что в катодном узле электровакуумного прибора, содержащем катод, две нити накала, соединенные с телом катода, концы которых электрически связаны с токоподводящими опорами катодной ножки, закрепленными в изоляторе, согласно изобретению предусмотрены два токоподвода, каждый из которых соединен с токоподводящими опорами катодной ножки и электрическое сопротивление которых меньше, чем электрическое сопротивление нитей накала, а сами нити накала соединены с телом катода своей центральной частью и концы этих нитей накала попарно соединены между собой токоподводами, равноудаленными от тела катода, образуя четыре ветви нитей накала между токоподводами и телом катода.

Целесообразно, чтобы токоподводы были установлены на попарно противоположных ветвях соседних нитей накала и симметрично относительно продольной оси катода.

Каждый из токоподводов может быть выполнен в виде пластины или стержня.

Желательно, чтобы ветви нитей накала были расположены под углом не более 35^о к продольной оси катода.

Разумно, чтобы соединенные с телом катода участки попарно соединенных между собой нитей накала были расположены параллельно между собой.

Вполне разумно, чтобы для параллельно расположенных между собой участков попарно соединенных между собой нитей накала были предусмотрены пазы, выполненные в теле катода на расстоянии один от другого, равном по меньшей мере двум диаметрам нитей накала, и глубиной, равной по меньшей мере 1,3 их диаметра.

Каждый паз может иметь в поперечном сечении прямоугольную форму или Т-образную форму с входной щелью, меньшей, чем ширина дна паза, или Г-образную форму. Желательно, чтобы входная щель паза была меньше, чем диаметр одной из нитей накала.

Целесообразно также, чтобы катод в своей части, соединенный с участками попарно соединенных между собой нитей накала, имел площадь поперечного сечения больше, чем площадь поперечного сечения в другой части катода, имеющей эмиссионную поверхность.

Такое выполнение предлагаемого катодного узла электровакуумного прибора позволяет стабилизировать геометрию катодного узла и его электрические параметры, что, в свою очередь, позволяет стабилизировать электрические параметры электровакуумного прибора и увеличить его надежность и долговечность в работе.

На фиг. 1 изображен предлагаемый катодный узел электровакуумного прибора, общий вид; на фиг. 2 катод катодного узла, вид снизу; на фиг. 3 вид А на фиг. 1; на фиг. 4 вариант выполнения катода; на фиг. 5 еще один вариант выполнения катода; на фиг. 6 вариант выполнения предлагаемого катодного узла электровакуумного прибора, общий вид; на фиг. 7 разрез Б-Б на фиг. 6; на фиг. 8 один из вариантов выполнения катода предлагаемого катодного узла электровакуумного прибора по фиг. 1, общий вид.

Предлагаемый катодный узел электровакуумного прибора содержит катод 1 (фиг. 1), две нити 2 и 3 накала, соединенные с телом катода 1, концы которых электрически связаны с токоподводящими опорами 4 и 5 катодной ножки 6, закрепленными в изоляторе 7. Катодный узел содержит также токоподводы 8 и 9, каждый из которых соединен с токоподводящей опорой 4 и 5. Электрическое сопротивление токоподводов 8 и 9 меньше, чем электрическое сопротивление нитей 2 и 3 накала. Нити 2 и 3 накала соединены с телом катода 1 своей центральной частью, и концы нитей 2 и 3 накала попарно соединены между собой токоподводами 8 и 9, равноудаленными от тела катода 1, образуя четыре ветви 10, 11 и 12, 13 нитей 2 и 3 накала соответственно между токоподводами 8 и 9 и телом катода 1. Токоподводы 8 и 9 установлены на попарно противоположных ветвях 10, 12 и 11, 13 соседних нитей 2 и 3 накала и симметрично относительно продольной оси 14 катода 1. Каждый из токоподводов 8 и 9 выполнен в виде стержня. Роль токоподводов 8 и 9 состоит в выравнивании температуры концов нитей 2 и 3 накала, удаленных от катода 1. При этом температура ветвей 10, 11 и 12, 13 в месте соединения становится практически одинаковой, а в остальных точках значительно выравнивается.

Такое попарное соединение может быть осуществлено только для ветвей, подключаемых к одному полюсу накала. При этом для предотвращения появления силы, могущей вызвать прокручивание нитей 2 и 3 накала в теле катода 1, необходимо соединять токоподводами 8 и 9 только ветви 10, 12 и 11, 13, принадлежащие различным нитям 2 и 3 накала. Ветви 10, 11 и 12, 13 нитей 2 и 3 накала расположены под углом не более 35^о к продольной оси 14 катода 1. Увеличение длины нитей 2 и 3 накала, происходящее только в месте выхода их из тела катода 1, не ведет к большому сдвигу катода 1 вдоль продольной оси 14, так как неизменные части ветвей 10, 11, 12 и 13 при этом просто расходятся в сторону от тела катода 1.

Соединенные с телом катода 1 участки попарно соединенных между собой нитей 2 и 3 накала расположены параллельно между собой в пазах 15 и 16 (фиг. 2). Пазы 15 (фиг. 3) и 16 выполнены в теле катода 1 на расстоянии один от другого, равном четырем диаметрам нитей 2 и 3 накала, и глубиной, равной 1,5 их диаметра. Это заглубление достаточно для того, чтобы, во-первых, устранить появление механической силы вследствие неравномерности нагрева нитей 2 и 3 накала и тела катода 1, которая могла бы там появиться в случае поверхностной приварки нитей 2 и 3, во-вторых, это заглубление предотвращает неравномерность взаимной диффузии материалов нитей 2 и 3 накала и тела катода 1 и появление результирующей силы, могущей деформировать место сварки. Расстояние между нитями 2 и 3 накала, выбранное в этом катодном узле, предотвращает появление подобной силы, направленной между двумя нитями 2 и 3 накала. Достаточность величины заглубления и разнесения нитей 2 и 3 одна от другой следует из того факта, что скорость диффузии резко замедляется после того, как состав области тела катода 1, равного по объему нити 2 (3) накала, т.е. не больший по толщине одной нити 2 (3) накала, выравняется с составом нити 2 (3) накала.

Пазы 15 и 16 с нитями 2 и 3 накала должны быть заварены в нескольких точках 17 (фиг.2) каким-либо методом сварки, обеспечивающим расплавление и нанесение материла катода 1 поверх нитей 2 и 3 накала. Наиболее подходящим методом является сварка лазерным лучом. Каждый паз 15 (фиг.3) и 16 имеет в поперечном сечении прямоугольную форму.

В описанном выше примере выполнения катодного узла катод 1 (фиг.1) выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, а пазы 15 и 16 имеют в поперечном сечении прямоугольную форму и выполнены в теле катода со стороны нижней грани на расстоянии один от другого, равном четырем диаметрам нитей 2 и 3 накала, и глубиной, равной 1,5 их диаметра.

Однако катод и пазы могут иметь любую другую форму, подходящую для данных целей и задачи, а расстояние между пазами может быть равно двум диаметрам нитей и более, а глубина пазов может быть равна 1,3 диаметра нитей накала и более. Так, например, с успехом пазы 18 (фиг.4) и 19 могут иметь в поперечном сечении Т-образную форму с входной щелью 20, меньшей, чем ширина дна 21 пазов 18 и 19. Входная щель 20 пазов 18 и 19 меньше, чем диаметр одной из нитей 2 (3) накала. Такая форма пазов 18 и 19 позволяет решить задачу изобретения стабилизацию геометрии катодного узла и в то же время упрощает создание надежной сварной точки тем, что создает над пазами 18 и 19 тонкие выступы, легко плавящиеся даже при небольшой подводимой мощности сварки, что важно для предотвращения значительного перегрева катода 1 на стадии заварки пазов 18 и 19.

Пазы 22 (фиг.5) и 23 имеют в поперечном сечении Г-образную форму. Целесообразность выполнения таких пазов состоит в том, что их изготовление несколько проще, чем изготовление Т-образных пазов и с такими пазами можно получить большее расстояние между пазами, чем в случае Т-образных пазов, что может стать актуальным при малой ширине тела катода 1, когда затруднительно выполнение требования, ограничивающего наименьшее расстояние между пазами.

На фиг.6 представлен вариант выполнения катодного узла электровакуумного прибора, выполненный аналогично варианту выполнения катодного узла по фиг.1. Отличие заключается в том, что токоподводы 24 и 25 выполнены в виде пластин, соединенных с токоподводящими опорами 4 и 5, закрепленными в изоляторе 26. Катод 27 имеет цилиндрическую форму, а пазы 28 (фиг.7) и 29 выполнены в теле катода 27 со стороны его боковой поверхности.

Вариант выполнения катода катодного узла электровакуумного прибора по фиг. 1 представлен на фиг. 8. Катод 30 в своей части 31, соединенной с участками попарно соединенных между собой нитей 2 и 3 накала, имеет площадь поперечного сечения больше, чем площадь поперечного сечения в другой части 32 катода 30, имеющей эмиссионную поверхность 33. В таком варианте выполнения катодного тела нити 2 и 3 накала укрепляются в теле катода 30 на большем расстоянии одна от другой и на большем протяжении пазов 15 и 16. Такое увеличение базы крепления нитей 2 и 3 накала уменьшает чувствительность геометрии катодного узла к возможной разности температур отдельных ветвей нитей 2 и 3 накала, которая на практике не может быть сведена к нулю из-за технологического разброса в длине ветвей.

Принцип работы предлагаемого катодного узла электровакуумного прибора заключается в следующем.

К токоподводящим опорам 4 (фиг.1) и 5 катодной ножки 6 подается напряжение накала. Электрический ток идет по цепи, состоящей из проводников, соединяющих проводящие опоры 4 и 5 с источником (не показан) тока, самих опор 4 и 5, токоподводов 8 и 9, соединенных с опорами 4 и 5 и нитями 2 и 3 накала, нитей 2 и 3 накала и тела катода 1. Электрическое сопротивление всех указанных участков цепи мало по сравнению с сопротивлением нитей 2 и 3 накала, поэтому при прохождении электрического тока Джоулево тепло выделяется в основном только в нитях 2 и 3 накала. Они нагреваются до высокой температуры. Часть тепла нитей 2 и 3 накала излучается в окружающее пространство, часть передается телу катода 1 и нагревает его до рабочей температуры, часть уходит через опоры 4 и 5 в катодную ножку 6 и рассеивается на окружающих ее деталях электровакуумного прибора.

Температура нитей 2 и 3 накала несколько выше температуры тела катода 1. В зависимости от выбора длины и диаметра нитей 2 и 3 накала и от электрического сопротивления нитей 2 и 3 их температура может быть изменена при одной и той же рабочей температуре катода 1. Чем выше сопротивление нитей 2 и 3, тем выше их температура.

На границе опор 4 и 5 с токоподводами 8 и 9 электрический ток раздваивается и идет по участкам токоподводов 8 и 9 к нитям 2 и 3 накала, по нитям 2 и 3 накала и далее соединяется снова в теле катода 1. Нити 2 и 3 накала, подключенные параллельно одна другой, в идеале имеют одну и ту же температуру.

Однако вследствие возможных отклонений их размеров при изготовлении узла одна из нитей 2 (3) может иметь большее сопротивление, чем другая. Эта нить 2 (3) нагревается до большей температуры. Но при том ее электрическое сопротивление вырастает до большей величины, чем у соседней нити 3 (2). В связи с этим ток, текущий по параллельным участкам цепи, перераспределяется таким образом, что на нить 2 (3) нагретую до более высокой температуры, приходится меньшее значение тока. Это приводит к некоторому выравниванию температуры. Дополнительное выравнивание температуры происходит вследствие того, что излишки тепла из ветвей 10, 11 (12, 13) нити 2 (3), нагретой до большей температуры, переходят по токоподводам 8 и 9 к соседней ветви 12, 13 (10, 11) нити 3 (2) накала. Поток электронов истекает с эмиссионной поверхности 33.

Принцип работы предлагаемого катодного узла электровакуумного прибора по фиг. 4-8 аналогичен принципу работы катодного узла по фиг. 1-3.

Предлагаемый катодный узел электровакуумного прибора обеспечивает благодаря стабильности геометрии катодного узла стабильность траектории электронов относительно продольной оси электровакуумного прибора, что позволяет стабилизировать электрические параметры прибора во время его работы.

Формула изобретения

1. КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ПРИБОРА, содержащий катод, две нити накала, соединенные с телом катода, концы которых электрически связаны с токоподводящими опорами катодной ножки, закрепленными в изоляторе, отличающийся тем, что в нем предусмотрены два токоподвода, каждый из которых соединен с токоподводящими опорами катодной ножки и электрическое сопротивление которых меньше электрического сопротивления нитей накала, а сами нити накала соединены с телом катода своей центральной частью, а концы этих нитей накала попарно соединены между собой токоподводами, равноудаленными от тела катода, образуя четыре ветви накала между токоотводами и телом катода.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что каждый из двух токоподводов соединен с двумя ветвями различных нитей накала.

3. Узел по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый токоподвод выполнен в виде пластины.

4. Узел по п. 1 или 2, отличающийся тем, что каждый токоподвод выполнен в виде стержня.

5. Узел по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что ветви нитей накала расположены под углом не более 35^o к продольной оси катода.

6. Узел по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что соединенные с телом катода участки попарно соединенных между собой нитей накала расположены параллельно между собой.

7. Узел по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что для параллельно расположенных между собой участков попарно соединенных между собой нитей накала предусмотрены пазы, выполненные в теле катода, на расстоянии один от другого, равном по меньшей мере двум диаметрам нитей накала, и с глубиной, равной по меньшей мере 1,3 их диаметра.

8. Узел по п.7, отличающийся тем, что каждый паз имеет в поперечном сечении прямоугольную форму.

9. Узел по п.7, отличающийся тем, что каждый паз имеет в поперечном сечении Т-образную форму с входной щелью, меньшей ширины дна паза.

10. Узел по п.9, отличающийся тем, что входная щель паза меньше диаметра одной из нитей накала.

11. Узел по п. 7, отличающийся тем, что каждый паз имеет в поперечном сечении Г-образную форму.

12. Узел по пп. 1 - 11, отличающийся тем, что катод в своей части, соединенной с участками попарно соединенных между собой нитей накала, имеет площадь поперечного сечения больше, чем площадь поперечного сечения в другой части катода, имеющей эмиссионную поверхность.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8