ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРИБОР Российский патент 1995 года по МПК H01J17/00 H01J17/08 

Изобретение касается разработки газоразрядных приборов и может быть использовано при создании термоэмиссионных преобразователей энергии и газоразрядных приборов, например таситронов, тиратронов и диодов, в которых для повышения эмиссии катода используется добавка паров бария.

Известны газоразрядные приборы: термоэмиссионные преобразователи энергии [1] таситроны [2] которые могут быть выбраны в качестве прототипа, содержащие катод, анод, управляющий электрод, изоляторы, рабочий газ, в которых для повышения эмиссии с катода используется добавка паров бария. Последний, адсорбируясь на поверхностях электродов, значительно понижает их работу выхода. Благодаря высокой энергии адсорбции бария на поверхностях тугоплавких металлов давление его паров, необходимое для создания пленки его атомов, значительно понижающей работу выхода электродов, достаточно низкое. Например, для получения работы выхода поверхности молибдена около 2,2 эВ при температуре порядка 1500 К требуется давление всего около 10^-4 торр. При этом плотность тока эмиссии около 10 А/см² при практически неограниченном сроке службы. Благодаря низкому давлению паров и малому сечению взаимодействия с электронами барий не оказывает влияния на рабочий процесс в межэлектродном зазоре и только понижает работу выхода электродов.

Однако использованию данного метода увеличения эмиссии катода в реальных конструкциях приборов, которые должны иметь длительный срок службы, мешает низкая коррозионная стойкость многих материалов, особенно изоляционных, в парах бария. В настоящее время отсутствует стойкий в парах бария металлокерамический изоляционный узел. Имеются высокотемпературные изоляционные материалы, стойкие в парах бария, например окись иттрия, окись скандия, алюмонитрид бора. Но герметичное соединение металла с этими материалами (металлокерамический узел) пока отсутствует. С другой стороны, существующие металлокерамические узлы на основе окиси алюминия имеют низкую стойкость в парах бария. Со временем они теряют электрическое сопротивление и герметичность.

Помимо этого, для получения давления паров бария порядка 10^-4 торр все поверхности, контактирующие с барием, должны иметь температуру не ниже температуры насыщенных паров бария при этом давлении, т.е. 750-800 К. Это накладывает дополнительные требования на температурную стойкость металло-керамического узла, во-первых, и исключает использование данных приборов в окислительной окружающей среде, например на воздухе, во-вторых.

Задачей изобретения является увеличение срока службы и стабильности рабочих характеристик газоразрядных приборов, в которых используется в качестве добавки пары бария.

Для этого в газоразрядном приборе с использованием паров бария в качестве добавки к рабочему газу, содержащем катод, анод, управляющий электрод, изоляторы, источник паров бария, рабочий газ, расположенные в корпусе, внутри корпуса, выполненного герметичным, сформирован высокотемпературный объем из анода, катода, управляющего электрода, источника паров бария, соединенный изолятором, стойким к парам бария, причем в пределах прямой видимости соединений барий-стойкого изолятора, корпус выполнен охлаждаемым и/или содержит сорбент бария, а изоляторы герметичного корпуса выполнены из материала, стойкого к рабочему газу.

В предлагаемом приборе пары бария находятся во внутреннем, высокотемпературном объеме, в котором используются стойкие в атмосфере бария материалы. Этот объем может быть негерметичным, допускается некоторая утечка бария в наружный, герметичный объем. Во внутреннем объеме используются изоляторы, стойкие в парах бария. Свести к минимуму утечки бария можно за счет создания некоторого постоянного усилия поджатия шлифованных поверхностей изоляторов и металлических деталей электродов. Воспользовавшись формулой для проводимости щели при молекулярном истечении [3]
Г , где а длина; b высота; l глубина щели; Т температура паров бария; М молекулярный вес бария, и применяя эту формулу для кольцевой щели cо следующими размерами: периметр 10 см; высота 10^-4 см, глубина 0,5 см, при давлении паров бария во внутреннем объеме 10^-3 торр расход через такую щель будет около 1,5˙10^-11 г/с. При наличии двух изоляторов и соответственно 4-х щелей получим расход порядка 6˙10^-11 г/с или 2˙10^-2 г за 10 лет работы. При давлении паров 10^-4 торр, что требуется в реальных приборах, даже при размере щели 0,05 мм в течение одного года непрерывной работы израсходуется около 0,5 г бария. Но при таком размере щели нет надобности использовать изоляторы во внутреннем объеме. Сама щель будет выполнять функции изолятора.

Вытекающий через негерметичности внутреннего объема барий при молекулярном режиме истечения, который реализуется при указанных давлениях и размерах щели, конденсируется на холодных противолежащих щелям участках наружной оболочки прибора. При температуре наружной оболочки 400-450 К давление паров бария в наружном объеме будет порядка 10^-13-10^-12 торр [4] При таком давлении время для образования монослойного покрытия (толщиной в один слой атомов) на поверхности, имеющей температуру ниже температуры места конденсации бария, будет порядка года. При температуре металлокерамического узла градусов на 50 К выше температуры места конденсации бария монослойное покрытие будет образовано в течение еще большего промежутка времени.

Для изменения сопротивления изоляции или проявления заметной коррозии интегральный поток бария на поверхность должен соответствовать покрытию на порядки выше монослойного, т.е. ресурс металло-керамического узла в десятки лет будет обеспечен. В предлагаемой конструкции прибора срок службы металлокерамического узла будет выше, чем в известной конструкции, примерно во столько же раз, во сколько давление паров бария во внутреннем объеме выше, чем в наружном, т.е. 10^-4/10^-2 10⁸ раз минимум.

В некоторых приложениях, например в космическом, минимальная температура наружного корпуса может быть достаточно высока, порядка 700-750 К и выше. В этом случае на пути выходящих через негерметичности внутреннего объема атомов бария размещают сорбент бария, например графит, или другой материал, химически активно реагирующий с барием. В этом случае будет достигнута та же цель понижение равновесного давления паров бария в наружном объеме до величины, обеспечивающей необходимый ресурс металлоке- рамического узла. Например, пиролитический графит способен поглотить барий в количестве, равном или больше массы самого графита [5]
На чертеже показана конструкция трехэлектродного газоразрядного прибора цезий-бариевого тасcитрона, в котором в качестве рабочего газа используются пары цезия, а в качестве добавки для повышения эмиссии с катода пары бария.

В газоразрядном приборе внутренний высокотемпературный объем ограничен катодом 1, анодом 2, управляющим электродом 3 и стойкими в парах бария изоляторами 4. Утечка бария из внутреннего объема ограничена за счет прижатия по плоским поверхностям элементов конструкции катода, управляющего электрода, анода и изоляторов, обеспечиваемого пружиной 5.

Герметичная оболочка наружного объема состоит из корпуса 6, электрически связанного с управляющим электродом, двух металлокерамических узлов 7 и 8, электроизолирующих управляющий электрод от катода и анода, сильфонов 9 и 10, обеспечивающих компенсацию различных термических расширений элементов конструкции и позволяющих увеличивать проходное сечение для откачки газов из внутреннего объема в процессе обезгаживания прибора, крышки 11, на которой крепится катодный нагреватель 12, патрубка 13, служащего для передачи тепла от анода к радиатору 14 и для откачки прибора в процессе обезгаживания. Полость катода, в которой размещается нагреватель, вакуумно изолирована от остальных объемов и откачивается при обезгаживании через патрубок 15.

Для уменьшения утечки тепла с рабочего плоского участка катода его боковые тонкостенные цилиндрические элементы имеют бифилярную конструкцию. Источник 16 бария размещается во внутреннем высокотемпературном объеме в области, где температура соответствует необходимому давлению насыщенных паров бария. Источник 17 цезия расположен в наружном объеме и локализован в месте, где температура соответствует необходимому давлению его паров для данного источника паров цезия. Для уменьшения чувствительности давления паров цезия к температуре его источника последний выполнен из цезированного графита. Благодаря более высокому давлению паров цезия и отсутствию его поглотителей негерметичность внутреннего объема обеспечивает равенство давления паров цезия в наружном и внутреннем объеме.

Барий, вытекающий через негерметичности внутреннего объема, конденсируется на близлежащих холодных поверхностях корпуса 6, либо при высокой температуре корпуса поглощается сорбентом 18, расположенным между местами утечки бария и металло-керамическими узлами наружного корпуса.

П р и м е р. После сборки прибора при отсутствии пружины 5 между верхним изолятором 4 и поджимающим его буртиком анода 2 имеется зазор, через который производится вакуумирование внутреннего объема прибора. Откачка производится через верхний наконечник патрубка 13. Внутренняя полость катода 1 с размещенным в ней нагревателем 12 откачивается через патрубок 15. При непрерывной откачке постепенно увеличивают подводимую к нагревателю 12 электрическую мощность, повышая температуру всех частей прибора и тем самым производя его обезгаживание.

К концу процесса обезгаживания температуру всех частей прибора доводят до уровня выше номинальной величины и выдерживают до падения газовыделения до определенного уровня. Затем понижают подводимую к нагревателю 12 мощность до номинальной величины и через патрубок 13 вводят в прибор пары цезия, который поглощается графитом, расположенным внутри корпуса прибора. В конце процесса насыщения графита цезием давление подводимых его паров устанавливают равным номинальной величине (5˙10^-3-10^-2 торр) и выдерживают до получения соответствующего равновесного состояния графитового источника. Прекращают подачу паров цезия, выключают нагреватель и производят отпайку прибора от вакуумной системы (герметизируют откачные патрубки 13 и 15). Вставляют пружину 5, тем самым поджимая сопрягаемые поверхности электродов и изоляторов и разобщая внутренний объем от остальной части прибора.

Включение для работы производят следующим образом.

Производят соответствующие подключения к электрическим цепям: корпусу (катод 1), анодному источнику (анод 2), генератору управляющих импульсов (управляющий электрод 3), источнику питания (нагреватель 12).

Постепенно выводят мощность нагревателя на номинальный уровень и выдерживают в течение времени, необходимого для установления теплового равновесия (от 15 до 30 мин). Разность температурных расширений отдельных деталей прибора компенсируется сильфонами 9 и 10. Необходимое давление паров бария (10^-4-10^-3 торр) во внутреннем объеме поддерживается за счет разогрева паров бария 16 источника до равновесной температуры 700-750 К, давление паров цезия (5˙10^-3-10^-2 торр) за счет равновесной температуры источника 17 цезия. Пары цезия из источника попадают во внутренний объем через естественные негерметичности между сопрягаемыми поверхностями изоляторов 4 и электродов 1-3. После достижения теплового равновесия включают анодный источник и генератор управляющих импульсов. Прибор начинает модулировать ток в анодной цепи в соответствии с частотой и продолжительностью управляющих импульсов. Прохождение тока несколько изменяет температурный режим прибора: падает температура катода и увеличивается температура анода. В связи с этим несколько изменяется и температура остальных частей прибора, в том числе источников цезия и бария. Расположение этих источников обеспечивает им температурный интервал, в пределах которого давление паров цезия и бария не выходит из рабочего диапазона.

Избыток подводимого к аноду тепла сбрасывается с помощью радиатора 14. В номинальном режиме модуляции тока типичные величины температур следующие: катод 1 (1300-1500 К) (в зависимости от эмиссионных свойств материала катода), управляющий электрод 3 (800-1000 К), анод 2 (800-1500 К) (рабочие характеристики прибора не чувствительны к температуре анода), изоляторы 4 внутреннего объема (850-1500 К), изоляторы 7 и 8 и детали 6,9,10,11 и 13 наружного корпуса не ниже 400 К (верхний предел температуры зависит от варианта исполнения прибора высокотемпературный или низкотемпературный). В процессе работы прибора часть бария через негерметичности по сопрягаемым поверхностям изоляторов 4 и электродов 1-3 будет выходить из внутреннего объема и конденсироваться на охлаждаемых поверхностях корпуса 6 (в низкотемпературном исполнении прибора) или поглощаться сорбентом 18 (в высокотемпературном исполнении прибора). Это защищает изоляторы 7 и 8 от контакта с барием и одновременно обеспечивает гетерирование остаточных или появившихся в процессе работы газов сконденсированным барием.

Таким образом, при реализации данного предложения решается задача увеличения срока службы и стабильности рабочих характеристик прибора.

Использование: газоразрядные приборы. Сущность изобретения: газоразрядный прибор, содержащий в качестве добавки пары бария, выполнен из двух объемов: внутреннего высокотемпературного, содержащего источник паров бария и систему рабочих электродов и изоляторов, стойких в парах бария, и наружного герметичного объема, содержащего корпус и изоляторы, размещенные вне пределов прямой видимости по отношению к местам негерметичности внутреннего объема. Величина негерметичности не превышает уровень, обеспечивающий молекулярный режим истечения бария. В результате барий конденсируется на поверхности наружного корпуса и не попадает на изоляторы. Если температура наружного корпуса высока, т.е. при этой температуре соответствующее давление паров бария превышает допустимую для стойкости изоляторов величину, в наружном корпусе на пути истекающего бария размещают сорбент бария. За счет этого повышается срок службы и стабильность характеристики. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ПРИБОР в герметичном корпусе с использованием паров бария в качестве добавки к рабочему газу, содержащий источник паров бария, рабочий газ, катод, анод, управляющий электрод, изоляторы, стойкие к рабочему газу, отличающийся тем, что внутри корпуса сформирован замкнутый высокотемпературный объем с давлением паров бария большим, чем в корпусе, и содержащий источник паров бария, анод, катод, управляющий электрод, соединенные изоляторами, стойкие к парам бария. 2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что в пределах прямой видимости барий стойкого изолятора корпус выполнен охлаждаемым и/или содержит сорбент бария.