СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА КАТОДОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБОК Российский патент 1996 года по МПК H01J9/04 

Изобретение относится к области вакуумной электроники и к производству электровакуумных приборов и может быть использовано как средство контроля качества катодов выпускаемых изделий с целью отбраковки экземпляров с потенциально высокой степенью деградации тока катода для уменьшения рекламационного возврата.

Известен способ контроля качества оксидных катодов (авт.св. СССР N 471629, кл. Н 01J 19/08, 19.10.71), согласно которому в диодной системе с такими катодами производится измерение тока катода при подаче на анод двух импульсов напряжений различной длительности. Первый из них является настолько коротким, что воздействующие на катод отравляющие факторы не успевали развиться, а второй значительно более длительным. О качестве катодов судят по различиям в измеренных токах при первом и втором импульсах.

Однако такой способ обладает низкой достоверностью в связи с тем, что процесс контроля оказывает влияние на качество катода. При больших токовых нагрузках свойства катода существенно различны для режимов коротких и длительных импульсов.

Известен также способ контроля катодов (авт.св. СССР N 318090, кл. Н 01J 9/04, 25.05.75), при котором отключают цепь накала и измеряют уровень шумов, обусловленных протеканием отбираемого с катода тока в цепи коллектора. О качестве катода судят по форме зависимости уровня шумов от времени после отключения накала, которая отражает эмиссионную однородность катода.

Недостатком указанного способа также является низкая достоверность контроля. Это обусловлено тем, что при охлаждении свойства катода существенно отличаются по сравнению с типовым режимом работы.

Прототипом является способ контроля качества электронных приборов СВЧ (авт. св. СССР N 758307, кл. Н 01J 19/08, 23.08.80), где о качестве судят по уровню собственных модуляционных шумов в низкочастотной частотозависимой части спектра, предварительно определив зависимость уровня этих шумов по долговечности.

Недостатком такого способа является ограниченная возможность его осуществления для электронно-лучевых приборов, связанная с существованием модуляционных шумов только в определенных классах СВЧ-приборов. Другой недостаток обусловлен низкой достоверностью оценки качества катодов, так как модуляционные шумы отражают существование дефектов, связанных не только с катодами, но и с другими элементами конструкции приборов. Наконец, для измерения модуляционных шумов необходимы сложная и дорогостоящая аппаратура и значительные затраты времени.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в повышении достоверности и в упрощении контроля качества катодов.

Эта задача решается тем, что в способе неразрушающего контроля катодов электронно-лучевых приборов, заключающемся в измерении фликкерной компоненты шума при фиксированной частоте f и отбраковке, устанавливают отбираемый с катода ток изменением положительного напряжения на аноде, при этом остальные электроды имеют нулевой потенциал, при каждом значении тока измеряют соответствующее ему значение анодного напряжения, вычисляют первеанс, определяют отношение измеренного уровня фликкер-шума для каждого установленного тока к первеансу, аналогичную последовательность операций производят с плоским диодом с катодом такого же типа, при этом измерения проводят при таких же значениях плотности катодного тока j_kn, для каждого значения плотности катодного тока находят коэффициент качества катода k_n(f, j_kn), определяемый как степень превышения отношения измеренного фликкер-шума в исследуемом приборе к его первеансу над аналогичным отношением в плоском диоде, подвергают испытаниям на наработку несколько контролируемых катодов, обеспечивая непрерывный режим работы в течение длительного времени, по результатам испытаний определяют степень спада тока катода, для заданного предельного значения такого спада находят совокупность предельных значений коэффициента качества катода k_n(f, j_kn)_пред и отбраковку осуществляют сравнением коэффициентов качества, при этом годными считают катоды, для которых одновременно выполняются условия

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок-схема включения электронно-лучевого прибора при измерениях шума; на фиг.2 приведены зависимости отношения спектральной плотности фликкер-шума на частоте 20 Гц к первеансу S_iT (20 Гц)/G_T от j_k для контролируемых катодов; здесь же пунктиром показана аналогичная зависимость для плоского диода с оксидным катодом; на фиг.3 зависимости коэффициента качества k от плотности тока j_k; на фиг.4 зависимости коэффициента качества k от j_k для катодов со спадом тока после 1500 часов работы, превышающим 15% на фиг.5 зависимости коэффициента качества k от j_k для катодов со спадом тока, меньшим или равным 15%
Блок-схема содержит электронно-лучевой прибор 1 с катодом 2, модулятором 3, ускоряющим электродом (анодом) 4 и выводами цепи накала 5 и 6, резистор 7, источник постоянного анодного напряжения 8, включенный в цепь накала катода источник напряжения 9, усилитель 10 и соединенные с ним последовательно фильтр 11 и детектор 12 (выходной прибор).

Исследуемый прибор включается в схему, обеспечивающую протекание постоянного тока I_k, отбираемого с катода 2 и поступающего на анод 4. Модулятор 3 соединен с катодом 2. Шумы тока катода благодаря резистору 7 создают на нем шумовое напряжение, усиливаемое усилителем 10 и подаваемое на фильтр 11 для выделения НЧ-компоненты вблизи частоты 20 Гц. Затем сигнал детектируется и измеряется выходным прибором 12. Показания выходного прибора пересчитываются к значениям спектральной плотности S_iT (20 Гц) с использованием калибровочных коэффициентов, определяемых при подаче на вход усилителя 10 шумового сигнала с известной спектральной плотностью на частоте измерения.

Аналогично осуществляются измерения фликкер-шума в плоском диоде, имеющем катод такого же типа. Уровень фликкер-шумов, создаваемый термокатодом в плоском диоде, определяется характером процессов, происходящих на эмиттирующей поверхности, а также влиянием пространственного заряда в межэлектродном пространстве. В том случае, когда в условиях электровакуумного прибора достигнуто оптимальное состояние активированности катода, уровень фликкер-шумов катодного тока зависит только от условий токоотбора и размеров системы электродов. В режиме пространственного заряда при условии I_k ≅ I_э, где I_k отбираемый ток с катода, I_э ток эмиссии катода, для уровня фликкер-шума S_iD(f), измеренного на частоте f, справедливо соотношение
S_iD(f)/G_D= (A/f)j2k

, (1)
j_k плотность отбираемого катодного тока;
A коэффициент, определяемый типом катода;
G_D первеанс диода, равный I_k/U3/2a;
U_a анодное напряжение, соответствующее току I_k.

Как видно из (1), при оптимальной активированности катода зависимость уровня фликкер-шума S_iD(f) от I_k или j_k носит строго определенный квадратичный характер.

В исследуемых электронно-лучевых приборах условия работы катода существенно отличаются в худшую сторону от условий в экспериментальном плоском диоде. В результате не учитываемых при массовом производстве отклонений в размерах системы электродов и обусловленного этим неоптимальным режимом тренировки и активировки, а также вследствие ионной бомбардировки в процессе технологического цикла на эмиттирующей поверхности возникают дефектные участки с пониженной эмиссией, которые при длительной работе могут стать причиной деградации тока катода. В результате совместного влияния указанных факторов уровень фликкер-шума S_iT(f) в электронно-лучевом приборе с первеансом G_T при близких условиях токоотбора с плоским диодом будет выше, причем степень превышения, характеризуемая коэффициентом качества
k(f)=(S_iT(f)/G_T/(S_i(f)/G_D),
содержит информацию о дефектах и потенциальной надежности приборов. Уровень значимости такой информации для количественной оценки потенциальной деградации тока катода может быть установлен с помощью специальных экспериментов.

Рассмотрим пример реализации способа при контроле партии цветных кинескопов типа 61ЛК5Ц.

Для контроля каждый кинескоп включается в схему фиг.1. При помощи изменения напряжения на аноде U_a для одного из катодов устанавливается отбираемый ток, значение которого лежит в диапазоне 50-400 мкА. Нижняя граница диапазона определяется необходимостью превышения шумов катодного тока над собственными шумами измерительной схемы, чтобы обеспечить невысокую погрешность шумовых измерений (в данном примере не более 10%). Верхний предел определяется предельными токовыми нагрузками, которые в течение времени измерений способен выдерживать катод. После установления значения тока катода I_kn производят измерение уровня фликкер-шума S_iTn (20 Гц). Значение частоты определяется тем, что она соответствует преобладанию фликкерной компоненты НЧ-шума над дробовой компонентой. В рассматриваемом примере измерения фликкер-шума проводились при 5 значениях тока: 50, 100, 200, 300, 400 мкА. Число значения тока n выбирается исходя из необходимости обеспечения высокой надежности контроля при минимальных затратах времени. При каждом значении тока I_kn измеряется соответствующее ему анодное напряжение U_an, вычисляется первеанс согласно соотношению
G_Tn= l_kn/U3/2an

,
после чего находится отношение измеренного уровня фликкер-шума при данном токе к первеансу S_iTn (20 Гц)/G_Tn. Плотность катодного тока j_kn рассчитывается как I_kn/πR2м, где R_м радиус отверстия в модуляторе. Результаты измерений в виде зависимостей S_iT (20 Гц) от j_k для ряда контролируемых катодов показаны на фиг.2 Далее для плоского диода с катодом такого же типа, как и в контролируемых кинескопах, измеряется аналогичная зависимость уровня фликкер-шума, отнесенного к первеансу S_iD (20 Гц)/G_D, от j_k, причем измерения проводятся при таких же значениях j_k, как и в кинескопе. В рассматриваемом примере в кинескопе использован оксидный катод обычного трехкарбонатного состава, и на основании обобщения имеющихся многочисленных экспериментальных данных по шумам для таких катодов в плоском диоде построена зависимость, показанная на фиг.2 пунктиром.

На основании проведенных измерений и расчетов затем определяют коэффициент качества как степень превышения отношения измеренного фликкер-шума в исследуемом приборе к его первеансу над аналогичным отношением в плоском диоде
k_n(20 Гц,j_kn)=(S_iT(20 Гц, j_kn)/(G_Tn)/(S_iD(20 Гц, j_kn)/G_Dn)
при каждом использованном при измерении шума кинескопов значении тока катода I_kn и соответствующем ему значении j_kn (фиг.3).

Далее для части контролируемых катодов (36 шт.) проводят испытания на наработку. Кинескопы с этими катодами включают в стандартные испытательные стенды, подают напряжения на электроды согласно техническим условиям и обеспечивают непрерывный режим работы в течение времени, равного или превышающего гарантированный срок службы. По истечении этого времени кинескопы снова включают в схему на фиг.1, производят измерения I_k, соответствующего фиксированному напряжению анода U_a=70 В и определяют относительную степень спада катодного тока как δI_k (I_k - I_k(t))/I_k, где I_k(t) значение тока катода после испытаний.

Задаваясь предельным значением δI_k, равным 0,15, при помощи способов статистического анализа подбирают совокупность таких предельных значений k_nпред для всех использованных j_kn, при превышении хотя бы одного из которых катод попадает в группу с δI_k>0,15. Возможность существования таких k_nпред подтверждается на фиг.4 и фиг.5, где отдельно показаны зависимости k от j_k для катодов с δI_k>0,15 и δI_k≅ 0,15. Как видно из сравнения фиг.4 и фиг. 5, условно годным (с δI_k≅ 0,15) катодам соответствуют значения k_пред, равные для выбранных токов соответственно 11; 6,8; 3,5; 6,5; 4,5. После корректировки найденных значений k_пред с учетом результатов статистического анализа на основании методов распознавания образов определяются уточненные значения k_пред.

По найденным предельным значения k_nпред определяют годность катодов всей контролируемой партии кинескопов. Годными считают те из них, которые одновременно удовлетворяют условиям
k₁ (20 Гц, 50 мкА) ≅ 12,0;
k₂ (20 Гц, 100 мкА) ≅ 7,0;
k₃ (20 Гц, 200 мкА) ≅ 6,5;
k₄ (20 Гц, 300 мкА) ≅ 6,0;
k₅ (20 Гц, 400 мкА) ≅ 6,0.

Вероятность ошибочных решений при определении годности катодов согласно указанным условиям в соответствии со статистическими оценками для 36 кинескопов не превышает 12% ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в области вакуумной электроники, позволяет повысить достоверность и упростить контроль качества катодов. Сущность изобретения: измеряют фликкерную компоненту шума при фиксированной частоте f, устанавливают отбираемый с катода ток изменением положительного напряжения на аноде, при этом остальные электроды имеют нулевой потенциал. При каждом значении тока измеряют соответствующее ему значение анодного напряжения, вычисляют первеанс, определяют отношение измеренного уровня фликкер-шума для каждого установленного тока к первеансу. Аналогичную последовательность операций производят с плоским диодом, имеющим катод такого же типа. Измерения проводят при таких же значениях плотности катодного тока j_kn. Для каждого значения этого тока находят коэффициент качества катода k_n (f,j_kn). Подвергают испытаниям на наработку несколько контролируемых катодов. По результатам испытаний определяют степень спада тока катода, для заданного предельного значения такого спада находят совокупность предельных значений коэффициента качества катода k_n (f,j_kn)_пред. Отбраковку осуществляют сравнением коэффициентов качества, при этом годными считают катоды, для которых одновременно выполняются условия, приведенные в описании. Испытуемый прибор включается в схему, обеспечивающую протекание постоянного тока, отбираемого с катода и поступающего на анод. Шумы тока катода с помощью резистора создают на нем шумовое напряжение, усиливаемое усилителем и подаваемое на фильтр. Показания выходного прибора пересчитываются к значениям спектральной плотности. 5 ил.

Способ неразрушающего контроля катодов электронно-лучевых приборов, заключающийся в измерении фликкерной компоненты шума при фиксированной частоте f и отбраковке, отличающийся тем, что устанавливают отбираемый с катода ток изменением положительного напряжения на аноде, при этом остальные электроды имеют нулевой потенциал, при каждом значении тока измеряют соответствующее ему значение анодного напряжения, вычисляют первеанс, определяют отношение измеренного уровня фликкер-шума для каждого установленного тока к первеансу, аналогичную последовательность операций производят с плоским диодом с катодом такого же типа, при этом измерения проводят при таких же значениях плотности катодного тока j_к.п,, для каждого значения плотности катодного тока находят коэффициент качества катода к_n(f,j_к.п),, определяемый как степень превышения отношения измеренного фликкер-шума в исследуемом приборе к его первеансу над аналогичным отношением в плоском диоде, подвергают испытаниям на наработку несколько контролируемых катодов, обеспечивая непрерывный режим работы в течение длительного времени, по результатам испытаний определяют степень спада тока катода, для заданного предельного значения такого спада находят совокупность предельных значений коэффициента качества катода к_n(f,j_к.п)_пред и отбраковку осуществляют сравнением коэффициентов качества, при этом годными считают катоды, для которых одновременно выполняются условия: