Длина катода как найти

3.3.1. Расчет параметров катода

При
разработке катодного узла новой
рентгеновской трубки в первую очередь
было необходимо понять, сможет ли
обеспечить вольфрамовый катод с
известной геометрией и подаваемой на
него мощностью накала необходимый ток
эмиссии. Геометрия катода рентгеновской
трубки

0,3РСВ1-Cr повторяет
геометрию катода трубки-аналога
TFS-3007-HP. Для
этой цели был произведен расчет основных
параметров катода (температура, ток
эмиссии, долговечность) [19].

В
качестве исходных данных для расчета
выбирались мощность накала и геометрия
катода.

Ниже
приведены основные формулы, а также
результаты расчета.

dw
= 0,124 мм диаметр проволоки катода

dk
= 0,4 мм диаметр керна

N
= 10 число витков

lk
= 3 мм длина катода

Imax
= 2,1 А максимальное значение катодного
тока

Umax
= 2,5 В максимальное значение катодного
напряжения

T
= 2500 К рабочая температура катода

I’
= 1526 А ток единичного катода (при T=2500К)

U’
= 143.6∙10-3 В напряжение ед. катода (при
T=2500К)

M’
= 6.63∙10-9 г/с скорость испарения ед. катода
(при T=2500К)

lw
=

мм длина нити катода

Ik
=

2.1 А ток накала

Uk
=

= 2.2 В напряжение накала

Ie
=

= 0.019 А = 19 мА ток эмиссии

t
=

= 448 часов долговечность катода

Как
видно из результатов, вольфрамовый
катод при заданных мощности накала и
геометрии в состоянии обеспечить ток
эмиссии равный 19 мА. Это значение почти
в 2 раза выше необходимых 10 мА. При этом
долговечность такого катода гарантируется
более 400 часов, что удовлетворяет
условиям поставленной задачи.

3.3.2. Изготовление и испытание макетов катода

Для
того чтобы удостовериться в правильности
теоретического расчета, был разработан
и собран в количестве 2-х штук макет
катода на базе катодного узла рентгеновской
трубки 0,2БПМ33-100. Макеты представляют
собой вакуумные диоды в роли анода, в
которых выступает фокусирующая головка
катода, электрически изолированная от
обоих выводов катода.

В
ходе эксперимента были измерены ток
эмиссии катода при различных напряжениях
смещения (анодных напряжениях; табл.5,6,
рис.45), что позволило измерить эмиссионную
способность катода, и дало возможность
определить, сможет ли катод обеспечить
необходимую эмиссию в уже готовой
рентгеновской трубке. Кроме этого была
снята вольтамперная характеристика
накала (табл.7, рис.46) в макетах, а также
на одном из них измерена температура
спирали катода при различных величинах
тока накала (табл.8, рис.47).

Измерение
температуры производилось портативным
инфракрасным пирометром Cyclops 100b
фирмы «Land» (рис.44). Он
позволяет производить высокоточные
измерения в диапазоне температур от
550 до 3000°С. Измеряемая температура
появляется на дисплее в четырех
одновременных значениях: продолжительное,
пиковое, основное и среднее, которое
пользователь может видеть на дисплее
видоискателя. Ниже представлены
результаты испытаний макетов.

Рис.
44. Портативный инфракрасный пирометр
Cyclops 100b

Проверка
эмиссионной способности катодов

Макет
№1

Таблица
5

Макет
№2

Таблица
6

Вольтамперная
характеристика катодов

Таблица
7

Измерение
температуры катода (макет №2)

Таблица
8

Рис.
45. Зависимость тока анода от анодного
напряжения при различных

значениях
тока катода

На
графике (рис. 45) видно, что при максимально
допустимом значении тока накала Iн=2,1А,
а также напряжении анода Uа=300В,
ток эмиссии с катода уходит в область
насыщения и равен при этом Iа₂=13мА
и Ia₁=12,5мА для макета
№2 и №1 соответственно. Оба значения
выше величины требуемого анодного тока
Iа=10мА, что дает гарантию
получения необходимого тока эмиссии
в собранной рентгеновской трубке
0,3РСВ1-Cr при ее работе в
номинальном режиме.

Чертеж,
а также фотографии макетов катодных
узлов представлены в приложении 1.

Рис.
46. Вольтамперная характеристика катодов

Рис.
47. Зависимость температуры спирали
катода от тока, проходящего через катод

Кривая
зависимости температуры катода от тока
накала, а также вольтамперные
характеристики катодов вполне
соответствуют теоретическим предсказаниям.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #

Министерство
науки и образования РФ 

ТОМСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 

РАСЧЕТ 
И КОНСТРУИРОВАНИЕ КАТОДНОГО 
УЗЛА 

Пояснительная
записка к курсовому проекту

по дисциплине

                                                                          
Студент гр. 359-2

 
________  Горбачев В. С.

  «____»________2011 

                                                                   
Руководитель

                                                                      
доцент каф. ЭП

___________
Аксенов А.И.

2011            

РЕФЕРАТ

     Курсовой проект 15 с.,
4 источника, 1 л. графич. материала.

     ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, 
ПРЯМОНАКАЛЬНЫЙ КАТОД, КАТОДНЫЙ УЗЕЛ,  
РАБОЧАЯ ТЕМПЕРАТУРА, ИДЕАЛЬНЫЙ КАТОД, 
РАСЧЕТЫ,  РЕАЛЬНЫЙ КАТОД,  ДЕРЖАТЕЛИ, 
МОЩНОСТИ КАТОДНОГО УЗЛА.

     Объектом исследования
являются термокатоды, использующиеся
как источники электронов в вакуумной
технике.

     Цель 
работы – расчет и конструирование 
катодного узла, при заданных 
начальных параметрах. Таких как, 
материал катода и значение 
необходимого тока эмиссии. 

     В 
процессе работы проводились расчеты
параметров катодного узла и его возможной
конструкции.

     В 
результате работы были рассчитаны 
параметры идеального и реального 
катода, также были вычислены размеры
держателей и выполнен общий чертеж устройства.

     Эффективность
устройства определяется временем работы,
малой величиной напряжения накала и большим
значением тока эмиссии.

     Катодный 
узел может применяться в электровакуумных 
установках, обеспечивая ток эмиссии, 
обусловленный характеристиками 
катода.

ANNOTATION

     The
course project 15p, 4 seeds, 1 l. graph. material.

     THERMOELECTRONIC
EMISSION. FILAMENT.  CATHODE PACK.  WORKING TEMPERATURE. IDEAL
CATHODE. REALY CATHODE. HOLDERS. OUTPUTS.

    Object
of research are cathods, used as sources electrons in vacuum engineering.

     The
purpose of work — account and designing cathode of unit, at the given
initial parameters. Such as, material of the cathode and importance
of a necessary current of issue.

     During
work the accounts of parameters cathode of unit and  its possible
design were carried out.

     As
a result of work the parameters of the ideal and real cathode were designed,
the sizes of the holders also were calculated and the general drawing
of the device is executed.

     The
efficiency of the device is determined by an operating time, small size
of a voltage of heat and large meaning  of a current of issue.

     Cathod
of unit can be applied in electrovacuum equipments, providing a current
of issues caused by the characteristics of the cathode.

     The
course project is executed in the text editor Microsoft Word 2003.

Министерство 
образования и науки РФ 

ТОМСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 

Кафедра
Электронных Приборов 

                                                                                          
УТВЕРЖДАЮ

                                                                                          
зав. кафедрой ЭП

                                                                                                         
С. М. Шандаров

                                                                                                    
“___” ________ 2011г.                                                   

ЗАДАНИЕ 

По курсовому
проекту студенту Горбачеву
В. С. группы  359-2 факультета
электронной техники.                                      

1.Тема проекта
Расчёт и конструирование
катодного узла.

2. Срок сдачи 
законченной работы «     
  »                         
2011 г.               

3. Исходные данные 
к проекту:

     1).
Материал катода: ниобий (Nb);

     2).
Ток эмиссии: 0,8
А.

4.Содержание 
пояснительной записки (перечень 
подлежащих разработке вопросов):

4.1. Выбор режима 
работы катодного узла                                     

4.2. Расчет 
катодного узла.

а) расчет катода
(запас 50%);

б) выбор и обоснование
режима работы;

в) конструирование
катодного узла;

  5. Перечень 
графического материала.

  6. Дата выдачи 
задания «       
»                   
2011 г 

1. Введение

  
Существуют пять групп термоэлектронных
катодов: 

–
чисто металлические катоды;

–
пленочные катоды;

–
полупроводниковые катоды;

–
гексаборидные катоды;

                 
– сложные катоды (металлопористые, прессованные,
импрегнированные  и т.п.).

   
Основные требования к материалам,
которые используются в качестве источников      
электронов в накаливаемых катодах:

   
Материал должен обладать:

    1.
высокой температурой плавления, допускающей
его работу при значениях              
температуры, обеспечивающее  нормальную
работу электронной лампы плотность тока
термоэлектронной эмиссии;

    2.
высокой температурой кипения и по возможности
более низким давлением паров в пределах
рабочих значений температуры катода;

    3. 
высокой механической прочностью и достаточно
высокой проводимостью допускающей отбор
тока эмиссии большой плотности;

      Одним
из основных элементов конструкций 
всех типов электронных ламп является
источник электронов — катод прямого накала
или подогревный катод, т.е. снабжённый
специальным, изолированным от катода
подогревателем.

      В
данном проекте рассматривается катод
прямого накала из чистого металла – ниобия.
Можно отметить такие свойства ниобия
как высокая температура плавления и кипения,
более низкая работа выхода электронов
по сравнению с другими тугоплавкими металлами
— вольфрамом и молибденом. Последнее
свойство характеризует способность к
электронной эмиссии (испусканию электронов),
что используется для применения ниобия
в электровакуумной технике. Ниобий также
имеет высокую температуру перехода в
состояние сверхпроводимости.

1. 
    
   Расчет катодного узла.

   Исходные 
данные;

    Ток эмиссии
I _эм = 0,8 
А.

         
Запас по эмиссии: 50%

         
Т.о. берем   I
_эм = 1,2 
А.

      
Для напряжения накала обычно
задаётся одно из стандартных его значений
В. Возьмем напряжение накала
U_H=5,6
В.

     
Зададимся рабочей температурой 
катода T_k
= 2300⁰K, необходимо взять
табличные значения, соответствующие
данной температуре:

 
удельная мощность излучения,
79,4×10^-6
Ом см ;                                   

 
I₁— ток накала единичного
цилиндра, I₁= 1173
A/см^3/2;                                    

 
U₁— напряжения накала единичного
цилиндра, U₁= 0.1187
B/см^1/2;           
[1]       

 
j_e –
плотность тока эмиссии, j_e=0,3
А/см²                
 

 
H_e— мера накала, H_e=10×10^-3
A/вт;                                                                      

 
m — удельная скорость испарения, m =4,52·10^-8
г/см²·с       
        
           

           
I _эм=1,2
А,

    
Режим работы катода – непрерывный
(небольшое значение тока эмиссии). При
большом значении тока эмиссии (несколько
десятков ампер), берется импульсный режим
работы катодного узла. 

1.  
   Расчет параметров идеального катода.

    Формулы
для расчета взяты из [1].

       
Мощность накала: 

       
Ток накала:

       
Диаметр реального катода:

       
Длина идеального катода: 

       
Мощность теплового излучения с рабочей
поверхности катода [4]

где

— коэффициент 
лучеиспускания ниобия;

 – рабочая  
температура катода;

 – диаметр 
катода;

 –длина 
катода.

1.  
   Расчет держателей термокатода.

          
Формулы для расчета взяты из [1].

        
Держатели возьмем из вольфрама. Соединение
держателей с катодом производится путем
точечной сварки, используя пластинку
из никеля в качестве припоя.

         
Возьмем диаметр катода равный 0.069см, а
диаметр держателя равным 0.3 см. 

      
Диаметр держателя:

 
       Длину вводов найдем
из формулы:

,где

 
;

;

;

 — значения
, приведенные
в зависимости от температуры
, где
[1];

 
— ток накала
катода;

 — теплопроводность
материала ввода, для вольфрама
; 

— диаметр 
ввода.

Рассчитаем потери
мощности на охлажденных концах [4]: 

где    

 
— мощность
потерь на одном охлажденном вводе;

 
— коэффициент
лучеиспускания вольфрама;

— температура 
ввода в момент нагревания 
катода до рабочей температуры; 

– диаметр 
держателя;

 –длина 
держателя.

1. Расчет параметров
   реального катода

     Приближенные значения
поправок
  (для тока эмиссии) вычисляются
по формуле [1]:

       
Напряжение накала идеального катода
определяется по формуле [1]:

1. Мощность,
   забираемая эмитирующими электронами

     Вычислим
мощность по формуле [4]

                                                     
        где    

                
T – рабочая температура катода;

                
k – постоянная Больцмана;

                
j – плотность тока эмиссии; 

                
e – заряд электрона.

1. Баланс 
   мощностей

Вт

Баланс 
мощностей сходится, из чего следует,
что сконструированный катод пригоден
для работы. Конструкция катода приведена
в приложении 1.  

1. Расчет спирали

     Теперь 
можем вычислить шаг навивки [1] 

     где 
  — длина
катода с учетом 1см на припой;

     
— диаметр
витка.

     Тогда
число витков данной спирали может 
быть вычислено следующим образом
[1]

     Расчитаем
число витков спирали:

  
6. Заключение

      В
данном курсовом проекте был рассмотрен
прямонакальный катода из чистого металла 
– ниобия, принцип действия которого
основан на эффекте термоэлектронной
эмиссии. Явление термоэлектронной эмиссии
широко используют в вакуумных приборах.

Список используемой
литературы

1.  Царев
Б.М. “Расчет и Конструирование электронных
ламп” Москва: ”Энергия”, 

     1967г,
671стр.

2. Форум по химии
[Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.cniga.com.ua  — Ниобий.

 3. Пошехонов
П.В. Соколовский Э.И. “Тепловой расчет
электронных приборов”,

    Москва 
“Высшая школа” 1977г, 159 стр.

Расчет катодов

Самым распространенным типом катодов, применяемых в трубках, является оксидный катод косвенного накала. Он представляет собой гильзу, покрытую слоем оксида толщиной 50-100 мкм и нагреваемую до температуры 1000-1100 К с помощью проволочного подогревателя, находящегося внутри гильзы и электрически изолирован от нее. Оксид это смесь окислов бария и стронция, представляющий собой диэлектрик. После специальной обработки этот диэлектрик превращается в полупроводник электронного типа, что резко повышает эмиссионные свойства катода. Часто в качестве материала применяют никель с различными активирующими присадками как например кремний или магний.

Тепловое расширение катодной трубки при нагреве позволяет закреплять катод жестко только на одном конце. Для этого на гильзе либо выдавливается специальный упор, либо приваривается соединитель. При нанесении оксидного слоя концы катода остаются неприкрытыми примерно на длине 3 — 5 мм для закрепления в слюде.

У катодов овального сечения вся поверхность покрывается оксидом и является рабочей. Недостатком в данном случае является то, что часть электронов с катода попадает на траверсы сетки, увеличивая ток сетки.

Экспериментально доказано, что существует связь между сроком службы лампы и температурой катода. При долговечности более 500 часов температура катода составит 1000К.

Расчет катода сводится к определению эффективной поверхности, обеспечивающей получение заданного тока эмиссии.

Считая, что температура катода одинакова по всей его длине, можно определить мощность, необходимую для получения заданной температуры. Взяв из исходных данных значения тока и напряжения накала можно определить мощность накала:

где Рн — мощность накала, Вт.

Iн — ток накала, А.

Uн — напряжение накала, В.

для двойного триода:

удельная мощность излучения зависит от температуры катода и составляет для

где Тк — температура катода, К.

?окс — удельная мощность излучения катода, Вт/смІ

Выбираем диаметр катодной трубки равный:

d_k=1 мм=0,1 см

Длина непокрытых концов катода выбирается из интервала 3-5 мм. Я выбираю 3 мм, тогда активная длина катода будет равна:

где — мощность накала, Вт.

— удельная мощность излучения катода, Вт/смІ

— активная длина катода, см

, — длина непокрытых концов катода, см

— диаметр катода, см

,== 0,3 см

Полная длина катодной трубки:

рекомендуемые соотношения полной длины катодной трубки к диаметру от 3 до 20.

условия выполняются:

3<<20

Толщину стенки катодной трубки возьмем равной 0,05 мм. В нижней части катода делается накатка для упора в слюду и приваривается соединитель из никелевой ленты 0,1 Х 0,8 мм.

У катодов круглого и овального сечений вся поверхность покрывается оксидом и является рабочей. Недостатком в данном случае является то, что часть электронов с катода попадает на траверсы сетки, увеличивая ток сетки.

При нанесении оксидного слоя концы катода остаются непокрытыми примерно на длине 3-5 мм для закрепления в слюде.

При энерговыделении на аноде более 100 Вт для
обеспечения номинального теплового режима требуется принудительное (жидкостное
либо воздушное) охлаждение. Такие приборы могут выполняться только с
цилиндрической системой электродов. При небольшой мощности на аноде (P_a
≤100 Вт) тепловой режим анода обеспечивается излучением. Такие лампы могут
выполняться как с плоскопараллельной, так и с цилиндрической системой электродов.

Своеобразной особенностью плоскопараллельной
системы является  возможность монтировать в одном баллоне нескольких идентичных
по конструкции электродных пакетов, каждый из которых обеспечивает электронный
ток, равный общему току, деленному на количество используемых катодов. Катоды и
сетки монтируются в лампе как единый катодно-сеточный узел. Возможен вариант,
когда несколько катодно-сеточных блоков имеют общий анод, но в пределах каждого
анодного узла должно размещаться одинаковое количество катодно-сеточных пакетов
(рис.15).

3.1. Особенности конструктивного
исполнения                            прямонакальных  катодов

В лампах цилиндрической
конструкции могут применяться катоды прямого накала стержневой, спиральной,
биспиральной (бифилярной) и чулочной конструкции.

Катоды стержневой конструкции (рис. 4) выполняются в
виде параллельно включенных нитей, которые формируются на основе П-образных
петель, образующих общую стержневую систему. Количество нитей  N
выбирается обычно от двух до четырех. Соответствующее количество стержней – в
два раза больше (N_ст = 2N).
Если длина одной нити L_к, то
высота стержневой системы h = L_к/2
(участками нитей в торцевой стороне катода пренебрегаем ввиду шунтирования этих
участков крепежными элементами).

Достоинством стержневого катода является возможность
применения сеточного блока с траверсами, что позволяет заметно повысить
теплоотвод от сетки за счет теплопроводности по виткам и траверсам (см. раздел
7.3.).

Катоды спиральной (рис. 5,а) и биспиральной (рис. 5,б)
конструкции обеспечивают возможность снизить габариты лампы. Высота h
и радиус r_к таких
катодов выбираются достаточно произвольно с тем лишь ограничением, чтобы по
высоте укладывалось несколько витков катодной спирали. Недостатком этих
вариантов является большая тепловая нагрузка на сеточный узел. Кроме того, при
спиральном варианте трудно обеспечить хорошую формоустойчивость, поскольку  в
верхней части катодного узла обязательно должно быть жесткое соединение с
центральным стержнем. Из-за этого при нагреве катод расширяется по радиусу, что
ведет к изменению межэлектродных расстояний. В катоде биспиральной конструкции
соединение с центральным стержнем делается скользящим, поэтому при нагреве
меняется только высота катода.

Наибольшую компактность и вибропрочность электродной
системы обеспечивает вариант с катодом чулочной конструкции (рис. 6).
Количество параллельных нитей должно быть четным и может колебаться от 10 до 20
и более. Высота и радиус катода выбираются так, чтобы каждая нить укладывалась
в виде спирали менее чем в один оборот.

Катоды петлевой V-образной
конструкции (рис. 7) предназначены для установки в лампах с плоскопараллельной
системой электродов. Места перегиба закрепляются с помощью пружинок в
керамических либо слюдяных изоляторах. Количество петель может быть 1, 2, 3.
Большее количество петель нежелательно, так как при этом необоснованно
увеличиваются поперечные размеры прибора и усложняется теплоотвод от сетки за
счет теплопроводности. Высота катодного узла h ≈ L_к/(2N_п).

3.1.1.
Расчет вольфрамового катода

Катоды из чистого вольфрама
имеют низкую эффективность и высокую рабочую температуру. Достоинством их
являются устойчивость к ионной бомбардировке и стабильность параметров. Такие
катоды находят применение в высоковольтных приборах, в лампах большой
долговечности и в приборах разборной конструкции. Благодаря стабильности
параметров расчет геометрии вольфрамового катода может быть выполнен с высокой
точностью.

Поскольку длина нити катода
всегда много больше диаметра, рассматривают в первую очередь вариант так
называемого идеального катода – катода, имеющего по всей длине
одинаковую температуру. В условиях теплового баланса вся подводимая к такому
катоду мощность отводится только излучением: P_fi = w_излπd_кL_к,
где w_изл = ε_кσT_к⁴ – удельная мощность излучения
катода, σ = 5,7·10^-12 Вт/(см²·К⁴) – постоянная
Стефана–Больцмана, ε_к – коэффициент излучения вольфрама, T_к – температура катода в кельвинах; d_к и L_к –
диаметр и длина нити катода. Ток эмиссии идеального катода I_si = j_sπd_кL_к, где j_s=AT_к²exp[-eφ_к/(kT_к)] – плотность тока эмиссии, A – ричардсоновская постоянная, eφ_к – работа
выхода вольфрама, k =1,38·10^-23 Дж/К
– постоянная Больцмана.   Сопротивление   нити       R_кi = 4ρ_кL_к/(πd_к²), 
где ρ_к – удельное сопротивление вольфрама
при заданной температуре.  Поскольку  мощность   накала    P_fi = U_fi²/
R_кi
,  несложно   получить, что   U_fi
=(L_к
/d_к^1/2).

Для удобства расчета введено
понятие «единичный» катод – катод, у которого длина и диаметр равны 1 см.  Были
составлены подробные таблицы параметров «единичного» катода (P’_f, I’_s,
R’_к, U’_f) для вольфрама
при различной температуре (табл.1). С использованием понятий о «единичном» 
катоде  соответствующие  расчетные  формулы  принимают  вид:   P_fi = P’_f d_кL_к,
I_si = I’_sd_кL_к,
R_кi = R’_кL_к/d_к²,
U_fi = U’_fL_кd_к^-1/2.

Срок службы вольфрамового катода ограничен, поскольку
в результате испарения материала уменьшается диаметр нити, а следовательно
падает эмиссия, так как из-за увеличения сопротивления снижается температура
нити. Кроме того, при длительной работе происходит рекристаллизация вольфрама
и, как следствие, повышается вероятность перегорания катода. В этих условиях
срок службы t =A_к(d_к/M’),
где M’ – скорость испарения «единичного» катода, A_к –
параметр, определяемый условиями эксплуатации катода и критерием предельного
состояния. Критерием предельного состояния катода является снижение тока
эмиссии до величины, определяемой выбранным значением коэффициента запаса по
току эмиссии b. Так, в частности, при b = 0,5
параметр A_к = 6,91×10^{— 4},
при b = 0,8 параметр A_к = 1,57×10^{— 4}.

Уважаемый посетитель!

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Ссылка на скачивание — внизу страницы.