ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛАМПА Российский патент 2003 года по МПК H01J21/10 

Изобретение относится к электронике, в частности к электронным приборам, и предназначено для использования в высоковольтных коммутаторах, модуляторах, преобразователях и источниках вторичного электропитания мощных электро- и радиотехнических устройствах.

Известна электронно-лучевая лампа [1], содержащая электронно-оптическую систему (ЭОС), состоящую из многолучевого катода с ленточными катодами, прикатодных формирующих электродов, каждый из которых выполнен в виде охватывающей соответствующий ленточный катод трубки и имеет сегментный вырез вдоль образующей, ускоряющего электрода, выполненного в виде параллельных оси симметрии лампы стержней, защитного электрода, выполненного в виде цилиндра с окнами, совмещенными с катодами, камерного анода, и систему токовводов, выполненную в виде керамических втулок со стержнями. При этом формирующие и защитный электроды электрически связаны с многолучевым ленточным катодом.

Недостатком лампы является неудовлетворительная формоустойчивость формирующих и ускоряющего электродов при высокой температуре. Формирующий электрод, нагретый излучением от ленточного катода, деформируется из-за разного линейного удлинения стенок трубки. При этом катод, установленный внутри трубки, смещается от номинального положения вплоть до соприкосновения с трубкой. За счет оттока тепла от катода к трубке увеличивается мощность, необходимая для поддержания рабочей температуры катода. Отклонение катодов от номинального положения приводит к изменению условий формирования электронных пучков, увеличению электронного тока на электродах, неравномерному нагреву ускоряющего электрода, его деформацию из-за разного удлинения стержней при нагреве, изменению междуэлектродных расстояний, повышению напряженности электрического поля в местах сближения электродов, более интенсивному газовыделению с поверхности элементов конструкции, повышению концентрации ионов, образующихся в результате взаимодействия электронного пучка с газами, распылению эмиттирующего слоя катода ионами. В связи с этим снижаются ресурс катодов, электрическая прочность изоляции и, как следствие, снижаются надежность, экономичность лампы.

Наиболее близкой по технической сущности и выбранной в качестве прототипа является конструкция лампы на рис.5а в [2], электронно-оптическая система которой состоит из многолучевого катода с ленточными катодами, прикатодных формирующих электродов, каждый из которых электрически связан с многолучевым катодом и выполнен в виде охватывающей соответствующий ленточный катод трубки с сегментным вырезом вдоль ее образующих, а также цилиндрических ускоряющего и защитного электродов с профилированными окнами, совмещенными с ленточными катодами, и бескамерного цилиндрического анода. При этом защитный электрод электрически связан с многолучевым катодом.

Недостатками лампы являются неудовлетворительная формоустойчивость трубок прикатодных формирующих электродов и отклонение от номинального положения ускоряющего и защитного электродов при термоциклировании. Каждая трубка с вырезом из системы формирующих электродов, нагревающаяся излучением от катода, деформируется из-за разного линейного удлинения ее стенок. При этом катод, установленный внутри трубки, смещается вплоть до соприкосновения с трубкой. Oтток тепла от катода к трубке увеличивается, а мощность, необходимая для поддержания рабочей температуры катода, растет. Неопределенность положения катодов приводит к изменениям условий формирования электронных пучков, увеличению электродного тока, неравномерному нагреву ускоряющего и защитного электродов, отклонению электродов от своего номинального положения из-за различной тепловой нагрузки на элементы конструкции, проявляющихся при включении и отключении лампы, т.е. в режиме термоциклирования. В связи с этим изменяется величина междуэлектродных промежутков, изменяется конфигурация электрического и теплового полей, приводящие к снижению электрической прочности изоляции, снижению ресурса катода и надежности лампы.

Задачей предлагаемого технического решения является создание устройства лампы, позволяющее улучшить формоустойчивость и точность взаимного расположения электродов электронно-оптической системы, выровнить тепловое и электрические поля в зоне формирования электронных пучков, повысить долговечность (ресурс) многолучевого катода и электрическую прочность изоляции как между электродами, так и по поверхности деталей, выполненных из изоляционных материалов, улучшить вакуумные условия при работе лампы, с целью повышения надежности лампы.

Эта цель достигается тем, что в электронно-лучевой лампе, содержащей электронно-оптическую систему, состоящую из многолучевого катода с ленточными катодами, цилиндрических ускоряющего и электрически связанного с многолучевым катодом защитного электродов, выполненных с профилированными окнами, совмещенными с ленточными катодами, анода, и систему токовводов, многолучевой катод имеет втулку с торцевыми фланцами, по периметру которых на боковых поверхностях выполнены профилированные пазы с уступами, а концы ленточных катодов размещены в пазах и ориентированы их уступами вдоль образующих втулки, при этом один конец каждого из катодов закреплен в пазах первого фланца, а их другие концы закреплены в пазах второго фланца со свободой перемещения в продольном направлении, кроме этого, электронно-оптическая система снабжена формирующим электродом, который выполнен в виде цилиндра с совмещенными с ленточным катодом профилированными окнами, электрически связан с многолучевым катодом, охватывает по периметру фланцы его втулки, при этом жестко соединен с вторым фланцем втулки и имеет свободу перемещения в продольном направлении относительно первого фланца втулки, кроме того, формирующий электрод размещен коаксиально на центральной трубе, закреплен на среднем фланце трубы со стороны второго фланца втулки многолучевого катода и зафиксирован со свободой перемещения в продольном направлении относительно торцевого фланца, который жестко закреплен на одном конце центральной трубы, при этом защитный электрод закреплен на торцевом фланце коаксиально с формирующим электродом, а ускоряющий электрод размещен коаксиально относительно формирующего и защитного электродов, закреплен на фланце с системой токовводов, которая выполнена аксиальной и снабжена изолированной втулкой, в которой размещен и жестко закреплен другой конец центральной трубы.

Дополнительно ленточные катоды лампы могут быть теплоизолированы друг от друга, а также от формирующего электрода и от втулки с фланцами экраном, который закреплен на втулке многолучевого катода.

Кроме того, лампа может быть соединена с магнитным электроразрядным насосом, катод которого электрически связан с многолучевым катодом.

Дополнительно к этому на экране могут быть размещены нераспыляемые геттеры.

Сопоставительный анализ предлагаемого устройства электронно-лучевой лампы с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна".

Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 и 2 схематично показана электронно-лучевая лампа в продольном и поперечном сечении (А-А) соответственно.

Электронно-оптическая система лампы содержит многолучевой катод 1 с ленточными катодами 2, цилиндрические формирующий 3, ускоряющий 4 и защитный 5 электроды с профилированными окнами 6, 7 и 8 соответственно, совмещенными с ленточными катодами 2, и анод 9. При этом формирующий 3 и защитный 5 электроды электрически связаны с многолучевым катодом 1. Кроме того, лампа снабжена системой аксиальных токовводов 10. Ленточные катоды 2 закреплены на втулке 11 с первым 12 и вторым 13 фланцами на ее торцах. По периметру фланцев 12 и 13 на их боковых поверхностях выполнены пазы 14 с уступами 15, ориентирующими ленточные катоды 2 вдоль образующих втулки 11. Конец каждого катода 2 жестко закреплен в пазах 14 первого фланца 12, а другой конец каждого катода 2 зафиксирован в пазах 14 второго фланца 13 со свободой перемещения в продольном направлении. Второй фланец 13 втулки 11 жестко соединен с формирующим электродом 3, а первый фланец 12 втулки 11 соединен с формирующим электродом 3 по посадке скольжения и имеет возможность перемещения в продольном направлении. Формирующий электрод 3 установлен коаксиально на центральной трубе 16 с помощью среднего 17 и торцевого 18 фланцев трубы 16, при этом на среднем фланце 17 формирующий электрод 3 закреплен жестко, а с торцевым фланцем 18 он имеет соединение на посадке скольжения, т. е. может перемещаться в продольном направлении. На торцевом фланце 18 жестко закреплен защитный электрод 5, установленный коаксиально с формирующим электродом 3. Ускоряющий электрод 4 снабжен фланцем 19 с расположенной на нем и выполненной аксиальной системой токовводов 10, снабженной изолированной втулкой 20, в которой размещен и жестко закреплен другой конец центральной трубы 16 и к которой присоединена трубка 21 с магнитным электроразрядным насосом 22. Кроме этого, между ленточными катодами 2, формирующим электродом 3 и втулкой 11 расположен теплоизолирующий экран 23, на котором установлены нераспыляемые геттеры 24, а анод 9 жестко соединен с фланцем 19 ускоряющего электрода 5 с помощью металлокерамического корпуса 25.

Сравнительный анализ устройства предлагаемой лампы и лампы прототипа показывает, что формоустойчивость многолучевого катода 1 с ленточными катодами 2, цилиндрических формирующего 3, ускоряющего 4 и защитного 5 электродов обеспечивается за счет того, что ленточные катоды 2 установлены на втулке 11, выполненной с пазами 14 на ее торцевых фланцах 12 и 13, опираются для ориентации вдоль образующих втулки на уступы 15 в пазах 14 с минимальной площадью контакта и отток тепла от катода к втулке за счет теплопроводности невелик, а потери тепла катодом 2 за счет излучения ограничены экраном 23, установленным между катодами 2, формирующим электродом 3 и втулкой 11, поэтому мощность, необходимая для поддержания рабочей температуры ленточного катода 2, оптимальна. А так как катоды 2 закреплены с одного конца и зафиксированы со свободой продольного перемещения другого конца, то термонапряжения, возникающие в катодах 2, не приводят к недопустимому их отклонению от номинального положения, тепловое поле распределено равномерно и симметрично, поэтому, рассматривая механические связи электродов электронно-оптической системы лампы в соответствии вышеизложенному описанию устройства и фиг.1 и 2, можно отметить, что все электроды жестко закреплены, например сваркой, с одной стороны (без применения промежуточных керамических втулок и разборных соединений, которые использовались в прототипе), имеют свободу перемещения в продольном направлении с другой стороны и образуют квадроаксиальную систему электродов с жесткими механическими связями, обеспечивающими точные радиальную и азимутальную ориентацию со свободой продольного перемещения каждого электрода. Так, втулка 11 с фланцами многолучевого катода 1 размещена в охватывающем ее цилиндрическом формирующем электроде 3, закрепленном на среднем фланце 17 центральной трубы 16 и зафиксированном на одном ее конце с помощью торцевого фланца 18, на котором также коаксиально установлен и жестко закреплен защитный электрод 5. Другой конец центральной трубы 16 установлен в изолированной втулке 20, которая выполняет функцию гнезда для размещения другого конца центральной трубы 16 так, чтобы закрепленные на ней многолучевой катод 1, цилиндрические фокусирующий 3 и защитный 5 электроды располагались коаксиально относительно ускоряющего 4 электрода, а пролетные каналы были совмещены. При этом заданная точность взаимной ориентации обеспечивается перемещением центральной трубы 16 в пределах зазора по осям координат, по азимутальному, т.е. вокруг продольной оси трубы 16, и телесному углу, вершина которого расположена внутри изолированной втулки 20. После проведенной юстировки центральная труба 16 жестко закрепляется, например сваркой, в изолированной втулке 20. Изолированная втулка 20 жестко закреплена в аксиальной системе токовводов 10, которая установлена на фланце 19 ускоряющего электрода 4. В связи с тем, что все электроды находятся в равномерном тепловом поле, созданным излучением катодов и электродами, нагретыми бомбардировкой электронами пучка и отраженными (вторичными) электронами и все электроды выполнены в виде симметричных цилиндров с профилированными окнами, совмещенными с катодами, поэтому электроды равномерно термонапряжены и деформация электродов и их отклонение от номинального положения не превышают допустимых значений. Формоустойчивость электродов и вид их соединения обеспечивают хорошее формирование электронного пучка и его транспортировку до анода без существенных потерь энергии на электродах в пролетных каналах, при этом снижаются температура электродов, газовыделение с их поверхностей, а установленные на экране нераспыляемые геттеры интенсивно поглощают химически активные газы. Магнитный электроразрядный насос, соединенный с изолированной втулкой токоввода, откачивает не только активные газы (O₂, N₂, СО, СО₂), но и инертные газы и способствует поддержанию необходимого вакуума в лампе, при этом количество остаточных газов минимально. В связи с этим ресурс работы катода увеличивается.

Формоустойчивость электродов, их точная радиальная и азимутальная ориентация, незначительное количество остаточных газов и ионов, равномерное распределение теплового поля, использование аксиальной системы токовводов, вынесенной из зоны расположения электродов и экранированной от запыления фланцем ускоряющего электрода, центральной трубой и изолированной втулкой, способствуют выравниванию электрического поля, снижению его напряженности и повышению электрической прочности изоляции.

Таким образом, совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства лампы позволяет повысить ее надежность, экономичность и коэффициент полезного действия.

Работа электронно-лучевой лампы
При включении лампы накаленные ленточные катоды 2 излучают электроны. Под действием электрического поля, созданного внешними источниками (не показаны), электронно-оптическая система формирует ленточные электронные пучки, которые транспортируются через профилированные окна 6, 7 и 8 (пролетный канал) соответственно формирующего 3, ускоряющего 4 и защитного 5 электродов к аноду 9, при этом режимы работы лампы зависят от потенциалов ускоряющего электрода 4 и анода 9. При подаче на ускоряющий электрод 4 необходимого потенциала электронный пучок, имеющий кроссовер в пролетном канале 7 ускоряющего электрода 4, попадает на анод 9, имеющий тот же потенциал, что и ускоряющий электрод 4 (эквипотенциальный режим). При этом за счет подбора формы электродов практически отсутствуют засев током ускоряющего электрода 4 и провисание в диафрагму ускоряющего электрода 4 ноля анода (малая проницаемость). Однако при понижении потенциала анода 9 относительно потенциала ускоряющего электрода 4 (режим торможения) возможно появление токовых потерь на ускоряющем электроде 4 в основном за счет вторично-эмиссионных электронов. Таким образом, увеличиваются тепловая нагрузка на электроды 3, 4, 5, газовыделение нагретых поверхностей и количество ионов, образующихся в результате взаимодействия электронного пучка с газами. При работе в таких режимах положительную роль играют нераспыляемые (например, титановые) геттеры 24, установленные в зоне катода 1, которые интенсивно поглощают химически активные газы или растворяют их, ограничивая вредное воздействие на катоды 2 и повышая ресурс их работы. Кроме этого, полезную работу делает и магнитный электроразрядный насос 22, который кроме активных газов хорошо откачивает и инертные газы. Необходимость использования геттеров обусловлена еще и тем, что мощные высоковольтные лампы имеют крупногабаритные электроды с развитой поверхностью, очистка и высокотемпературное обезгаживание которых представляет известные технологические трудности.

Потенциал анода 9 выбирается предельно близким к катоду 1, но такой величины, чтобы не возникал виртуальный катод, приводящий к отражению от него электронного пучка. Управление током, протекающим через лампу, осуществляется за счет изменения потенциала на ускоряющем электроде 4. Для уменьшения тока, идущего на ускоряющий электрод 4 в режиме, когда потенциал анода 9 меньше потенциала ускоряющего электрода 4, используется защитный электрод 5, электрически связанный с катодом 1. Перехват отраженных от анода 9 электронов осуществляется за счет минимума потенциала, возникающего между анодом 9 и ускоряющим электродом 4. Изоляция анода 9 осуществляется с помощью металлокерамического корпуса 25, к которому присоединен фланец 19 ускоряющего электрода 4 с аксиальной системой токовводов 10.

Таким образом, формоустойчивость электродов, их точная взаимная радиальная и азимутальная ориентация позволяют формировать электронный пучок и транспортировать его от катода 1 к аноду 9 с минимальными потерями энергии на электродах 3, 4, 5, низкими удельными тепловыми нагрузками, уменьшенным газовыделением с поверхности элементов конструкции и количеством ионов, образующихся в результате взаимодействия электронного пучка с остаточными газами, что приводит к повышению ресурса работы катода 1, способствует повышению электрической прочности изоляции, повышает надежность, экономичность и коэффициент полезного действия лампы.

Используемая литература
1. А.С. СССР 947930, МКИ: Н 01 J 21/10, опублик. Бюл. 28 от 30.07.82.

2. В.И. Переводчиков и др. Новый класс мощных электронных приборов - электронно-лучевые вентили. Ж. "Прикладная физика", 2000, 2, стр.86-94. - М.: изд-во ГУП "ВИМИ".

Настоящее изобретение относится к электронике, в частности к электронным приборам, и предназначено для использования в высоковольтных коммутаторах, модуляторах, преобразователях и источниках вторичного электропитания мощных электронно- и радиотехнических устройств. Техническим результатом является повышение надежности лампы. Для достижения технического результата в электронно-лучевой лампе, содержащей электронно-оптическую систему, состоящую из многолучевого катода с ленточными катодами, цилиндрических ускоряющего и защитного электродов, выполненных с профилированными окнами, анода и систему токовводов, ленточные катоды закреплены на введенной в многолучевой катод втулке и строго ориентированы вдоль ее образующих, при этом один конец каждого ленточного катода имеет свободу в продольном направлении. Кроме того, введенный в электронно-оптическую систему (ЭОС) лампы формирующий электрод выполнен в виде охватывающего втулку многолучевого катода цилиндра с соответствующими катодам окнами, при этом все электроды ЭОС жестко закреплены с одной стороны на центральной трубе лампы, имеют свободу перемещения в продольном направлении с другой стороны и образуют квадроаксиальную систему электродов с жесткими механическими связями, обеспечивающими точные радиальную и азимутальную ориентацию со свободой продольного перемещения каждого электрода. Формоустойчивость электродов и вид их соединения обеспечивают хорошее формирование электронного пучка и его транспортировку до анода без существенных потерь энергии на электродах в пролетных каналах. Ленточные катоды лампы могут быть теплоизолированы друг от друга, от формирующего электрода и от втулки с фланцами экраном, который закреплен на втулке многолучевого катода. Лампа может быть соединена с магнитным электроразрядным насосом, катод которого электрически связан с многолучевым катодом. На экране могут быть размещены нераспыляемые геттеры. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электронно-лучевая лампа, содержащая электронно-оптическую систему, состоящую из многолучевого катода с ленточными катодами, цилиндрических ускоряющего и электрически связанного с многолучевым катодом защитного электродов, выполненных с профилированными окнами, совмещенными с ленточными катодами, анода, и систему токовводов, отличающаяся тем, что многолучевой катод имеет втулку с торцевыми фланцами, по периметру которых на боковых поверхностях выполнены профилированные пазы с уступами, а концы ленточных катодов размещены в пазах и ориентированы их уступами вдоль образующих втулки, при этом один конец каждого из катодов закреплен в пазах первого фланца, а их другие концы зафиксированы в пазах второго фланца со свободой перемещения в продольном направлении, электронно-оптическая система снабжена формирующим электродом, который выполнен в виде цилиндра с совмещенными с ленточными катодами профилированными окнами, электрически связан с многолучевым катодом, охватывает по периметру фланцы его втулки, при этом жестко соединен с вторым фланцем втулки и имеет свободу перемещения в продольном направлении относительно первого фланца втулки, формирующий электрод размещен коаксиально на центральной трубе, закреплен на среднем фланце трубы со стороны второго фланца втулки многолучевого катода и зафиксирован со свободой перемещения в продольном направлении относительно торцевого фланца, который жестко закреплен на одном конце центральной трубы, при этом защитный электрод закреплен на торцевом фланце коаксиально с формирующим элементом, а ускоряющий электрод размещен коаксиально относительно формирующего и защитного электродов, закреплен на фланце с системой токовводов, которая выполнена аксиальной и снабжена изолированной втулкой, в которой размещен и жестко закреплен другой конец центральной трубы. 2. Электронно-лучевая лампа по п. 1, отличающаяся тем, что ленточные катоды теплоизолированы друг от друга, от формирующего электрода и от втулки с фланцами экраном, который закреплен на втулке. 3. Электронно-лучевая лампа по любому из пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что лампа соединена с магнитным электроразрядным насосом, катод которого электрически связан с многолучевым катодом. 4. Электронно-лучевая лампа по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что на экране размещены нераспыляемые геттеры.