ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА Российский патент 1999 года по МПК H01J21/10 H01J19/32 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при конструировании и производстве электровакуумных ламп.

Известны электронные лампы, описанные в книге Царева Б.М. "Расчет и конструирование электронных ламп" /Москва, "Энергия", 1967, стр. 21 - 24/, содержащие:
- источник электронов - накаленный катод прямого накала или подогревный;
- приемник электронов - коллектор - анод;
- вакуумноплотную оболочку;
- сетку, управляющую электронным потоком, идущим с катода на анод;
- сетки, служащие электростатическими экранами между управляющими электродами и анодом.

Основным недостатком существующих электронных ламп является наличие вблизи анода тормозящего поля, созданного пространственным зарядом, образуемым потоком вторичных электронов с анода. Наличие тормозящего поля в значительной степени изменяет траекторию полета первичных электронов, а также снижает скорость их пролета от катода к аноду, тем самым уменьшая выходную мощность и КПД лампы, приводя к искажению формы усиливаемого сигнала, то есть к появлению так называемых "нелинейных искажений". Описанные последствия вторичной эмиссии сильно влияют на качество воспроизведения усиливаемого сигнала, что специалистами по "звуку" классифицируется как искажение звукового сигнала, что совершенно недопустимо при создании высококачественной музыкальной аппаратуры. Известно, что вторичная эмиссия в сильной степени влияет на распределение тока между электродами, приводя к блокировке управляющей сетки в триодах и динатронному эффекту /перехвату вторичных электронов экранирующей сеткой/ в тетродах.

Для снижения нежелательных последствий вторичной эмиссии с анода используются электронные ловушки - камерные конструкции анодов /авторское свидетельство СССР N 320221 от 08.06.70 г., МКИ H 01 J 19/34 "Электронная лампа"/. Выход вторичных электронов, выбитых со дна камер анода первичными электронами, в указанной лампе ограничен стенками анодных камер, вследствие чего траектории вторичных электронов искривляются и они возвращаются ко дну или стенкам камеры. Однако, в указанной конструкции доля вторичных электронов, выбитых с торцевой поверхности ребер, оказывается существенной из-за массивности ребер камерного анода и значительной площади их торцевой поверхности, которая подвергается бомбардировке первичным потоком электронов, а следовательно, будет иметь место тормозящее поле, созданное пространственным зарядом, образуемым потоком вторичных электронов с торцевой поверхности ребер анода.

Целью настоящего изобретения является значительное снижение последствий вторичной эмиссии с анода, что в свою очередь приведет к дополнительному повышению выходной мощности, коэффициента полезного действия и линейности электронной лампы.

В качестве прототипа изобретения авторы выбирают конструкцию электронной лампы по а.с. N 320221, так как она максимально совпадает с заявляемым объектом по основным признакам и желаемому результату, являясь конструктивно электронной лампой с ловушкой для вторичных электронов с анода.

Поставленная авторами цель достигается за счет того, что в электронную лампу, содержащую катод, по крайней мере одну сетку, расположенную снаружи от катода, и анод, дополнительно вводится "анодная" сетка, электрически связанная с анодом, и установленная относительно анода таким образом, чтобы суммарное электрическое поле, создаваемое анодом и "анодной" сеткой в промежутке "анодная сетка - катод", было эквивалентно электрическому полю в лампе - прототипе.

Введение в конструкцию электронной лампы "анодной" сетки позволяет практически полностью исключить такие последствия вторичной эмиссии с анода, как наличие тормозящего поля вблизи анода и перехват вторичных электронов экранирующей сеткой, поскольку выбитые с поверхности анода вторичные электроны или перехватываются "анодной" сеткой, или, изменяя траекторию полета, возвращаются на анод, не выходя, таким образом, за пределы промежутка "анодная сетка - анод", при этом доля выбитых из "анодной" сетки вторичных электронов оказывается незначительной, поскольку "анодная" сетка с шагом навивки, равным или кратным шагу навивки управляющей или экранной сетки, почти "прозрачна" для потока первичных электронов. Таким образом, заявляемая конструкция лампы с "анодной" сеткой позволит дополнительно повысить выходную мощность, коэффициент полезного действия, а также улучшить характеристики лампы, сведя к минимуму пространственный заряд, вызывающий торможение потока первичных электронов, что технологически невыполнимо в прототипе, так как поверхность ребер камерного анода значительно больше поверхности витков "анодной" сетки.

Сущность, преимущества и отличительные признаки станут понятны из описания, которое сопровождается следующим графическим материалом:
Фиг. 1 - поперечный разрез предлагаемой электронной лампы;
фиг. 2 - распределение электрического поля лампы - прототипа;
фиг. 3 - распределение электрического поля заявляемой лампы.

Заявляемая электронная лампа содержит источник первичных электронов - катод 1, управляющую сетку 2, экранную сетку 3, расположенные снаружи от катода, приемник электронов - анод 4, "анодную" сетку 5, электрически связанную с анодом, а также конструктивные элементы 6, обеспечивающие электрическую связь "анодной" сетки с анодом внутри лампы.

При работе электронной лампы электроны, эмиттируемые рабочей поверхностью катода 1, фокусируются управляющей сеткой 2, ускоряются, пролетая через поле, созданное экранирующей сеткой 3, устремляются к аноду 4 через "анодную" сетку 5, выбивают из анода 4 вторичные электроны, которые или перехватываются "анодной" сеткой 5, или возвращаются на анод 4, не вылетая за пределы промежутка "анодная сетка - анод", оставаясь в этой "ловушке", поскольку их скорость намного ниже скорости первичных электронов, а "анодная" сетка 5, расположенная вблизи анода и связанная с ним электрически, являясь фактически тем же анодом, препятствует выходу вторичных электронов за пределы "ловушки". При этом доля вторичных электронов, выбитых первичными электронами из "анодной" сетки, невелика, так как она почти "прозрачна" для потока первичных электронов на пути к аноду, а следовательно, пространственный заряд, образуемый этой долей вторичных электронов, также невелик и практически не является препятствием для потока первичных электронов. В результате, в заявляемой электронной лампе последствия вторичной эмиссии сведены к минимуму, что позволяет дополнительно повысить выходную мощность, коэффициент полезного действия и линейность характеристик лампы.

Для эффективной работы заявляемой конструкции желательно шаг навивки "анодной" сетки и удаление ее от анода, а также местоположение анода относительно катода подбирать таким образом, чтобы электрическое поле U'_аэф, создаваемое анодом и "анодной" сеткой в промежутке "катод - анодная сетка" оставалось бы эквивалентным электрическом полю U_аэф лампы-прототипа. При этом поскольку поле U_афакт заявляемой лампы "провисает" между витками "анодной" сетки по направлению к аноду на величину, определяемую шагом сетки "a", то расстояние "b" от анода до "анодной" сетки должно быть не менее шага сетки, то есть должно выполняться условие b≥a.

Кроме того, конструктивное исполнение "анодной" сетки можно варьировать достаточно широко: сетка может быть выполнена навивкой, может быть сварена из отдельных стержней или выполнена на рамочном металлическом каркасе. При окончательном выборе конструкции "анодной" сетки наряду с ее технологичностью следует руководствоваться следующим: "анодная" сетка должна быть достаточна "прозрачной" для потока первичных электронов, чтобы вторичная эмиссия с ее элементов была минимальной, при этом целесообразно иметь конструктивно единообразие всех сеток лампы. Последнее требование продиктовано необходимостью совместить "анодную" сетку по виткам /стержням/ с витками /стержнями/ управляющей или экранной сетки, причем шаг расположения витков /стержней/ "анодной" сетки выбирается равным или кратным шагу этих сеток, но не должен превышать его более чем в 4 раза. Существующая технология изготовления каркасных сеток на автоматах навивки позволяет создать "анодную" сетку с двусторонней навивкой, обеспечивая расположение витков одновременно с двух сторон каркаса, что дополнительно повысит эффективность перехвата вторичных электронов.

Реализация электрической связи "анодной" сетки с анодом может быть выполнена как внутри, так и снаружи лампы. Наружная реализация связи целесообразна при разработке абсолютно новой конструкции лампы. Если же стоит задача модернизации радиоаппаратуры с обеспечением возможности полной взаимозаменяемости ламп и установочных элементов, то внутренняя связь оказывается более предпочтительной, так как позволяет обойтись без дополнительного электрического вывода на ножку лампы.

Следует отметить, что шаг навивки "анодной" сетки и расстояние до анода, а также местоположение анода может подбираться по результатам моделирования электрических полей в электролитической ванне.

Таким образом, отличительными признаками заявляемой электронной лампы являются:
- наличие нового конструктивного элемента - "анодной" сетки;
- наличие электрической связи "анодной" сетки с анодом;
- взаимное расположение "анодной" сетки и анода;
- параметры "анодной" сетки и ее элементов;
- вариант выполнения электрической связи "анодной" сетки с анодом.

Экспериментальные образцы электронных ламп, выполненные в соответствии с предлагаемым изобретением, были изготовлены на базе серийно выпускаемых отечественным производством приемно-усилительных ламп. При этом конструкция катодно-сеточного узла была оставлена без изменения, а в промежутке между сеткой и анодом была установлена "анодная" сетка, выполненная на рамочном металлическом каркасе. В целях обеспечения прочного механического закрепления "анодной" сетки каркас ее с помощью специальных перемычек был приварен контактной сваркой к аноду. Это позволило обеспечить условия установки "анодной" сетки относительно анода при одновременном обеспечении надежного электрического и теплового контакта "анодной" сетки с анодом. Раствор анода в экспериментальных образцах был изменен по сравнению с анодом серийных ламп таким образом, чтобы потенциал электрического поля в промежутке "катод - анодная сетка" равнялся бы потенциалу электрического поля в промежутке "анод - катод" серийной лампы.

Таким образом, введение в конструкцию электронной лампы предлагаемой "анодной" сетки позволит создать принципиально новый подход к конструированию электронных ламп, что позволит эффективно сочетать традиционные и новые конструктивные решения для улучшения их характеристик.

Проведенные сравнительные испытания триода обычного исполнения и с применением "анодной" сетки показали, что лампы с "анодной" сеткой имеют на 15 - 20% выше уровень выходной мощности при одновременном снижении уровня нелинейных искажений на 30%, что подтверждает перспективность использования заявляемой электронной лампы в качестве усилителя звукового сигнала в высококачественной радиоаппаратуре, обеспечивая качественное "живое" звучание.

На основании вышесказанного заявляемые технические решения, по мнению авторов, являются новыми, имеют изобретательский уровень и промышленно применимы, то есть отвечают всем условиям патентоспособности.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при конструировании и производстве электвовакуумных ламп. Технический результат заключается в снижении последствия вторичной эмиссии с анода, что приведет к дополнительному повышению выходной мощности, коэффициента полезного действия и линейности электронной лампы. В электронную лампу, содержащую катод, по крайней мере одну сетку, расположенную снаружи от катода, и анод, вводится анодная сетка, электрически связанная с анодом, причем ее шаг а по виткам или стержням и удаление b от анода выбираются такими, чтобы обеспечить условие b≥a. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Электронная лампа, содержащая катод, по крайней мере одну сетку, расположенную снаружи катода, и анод, отличающаяся тем, что в промежуток сетка-анод введена дополнительная анодная сетка, электрически связанная с анодом и выполненная навитой или стержневой, причем ее шаг а по виткам или стержням и удаление b от анода выбираются такими, чтобы обеспечить условие b≥a. 2. Лампа по п. 1, отличающаяся тем, что анодная сетка совмещается по виткам или стержням с соответствующими элементами имеющихся сеток, причем шаг витков или стержней анодной сетки выбирается равным или кратным, но не более чем в четыре раза, шагу соответствующих элементов имеющихся сеток. 32. Лампа по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что анодная сетка выполнена на металлическом каркасе и имеет двустороннюю навивку, обеспечивающую расположение витков с наружной и внутренней стороны каркаса. 4. Лампа по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что электрическая связь анодной сетки с анодом выполнена внутри лампы.