КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ПУШКИ С ПРОТЯЖЕННЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПОТОКОМ Российский патент 2008 года по МПК H01J3/02 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к катодным узлам для электронных пушек с протяженным электронным потоком, предназначенных для работы в электровакуумных приборах (ЭВП) или для электронных отпаянных пушек с протяженным электронным потоком, предназначенных для вывода электронного потока из вакуумной области в атмосферу или иную газовую среду.

Актуальной задачей в настоящее время является создание компактных, технологичных и удобных в эксплуатации электронных пушек, формирующих протяженный электронный поток заданной ширины с равномерным распределением плотности тока по его сечению и обладающих высокой надежностью в течение длительного срока службы. Обеспечение этих параметров электронной пушки во многом зависит от конструкции ее катодного узла.

Известна электронная пушка с плоским электронным потоком, катодный узел которой содержит линейный катод прямого накала в виде катодной нити из тугоплавкого материала и устройство для ее крепления и натяжения, выполненное в виде охватывающих ее концы крепежных втулок с прижимными винтами, которые компенсируют линейное удлинение катодной нити при нагреве, предотвращая провисание ее средней части и обеспечивая сохранение заданного расположения катода относительно других электродов электронно-оптической системы (ЭОС) электронной пушки [1]. Однако массивные и громоздкие элементы устройства для крепления катодной нити, рассеивая тепловые потоки, уменьшают температуру на ее концах, что приводит к уменьшению тока эмиссии и удельной мощности линейного электронного потока, создавая неравномерное распределение плотности тока по длине катода. Кроме того, при высокой рабочей температуре имеет место снижение предела прочности материала катода, что ограничивает ресурс его работы. Натяжение катодной нити с помощью крепежных втулок и прижимных винтов способствует изменению первоначальной структуры ее материала и появлению высокотемпературной ползучести. При этом деформация крепежных элементов в результате нагрева также способствует искажению геометрии ЭОС электронной пушки прибора и нарушению токопрохождения в ней. Все это снижает надежность и долговечность работы катода, катодного узла и электронной пушки в целом. Кроме того, такая конструкция катодного узла не может быть использована в электронных пушках с протяженным электронным потоком, так как при увеличении длины катодной нити возрастают перепады температуры по ее длине, увеличивается провисание катодной нити и требуются средства для дополнительного натяжения, что в совокупности усугубляет перечисленные выше недостатки конструкции катодного узла.

Известна электронная пушка, содержащая снабженный выводным окном герметичный корпус, в котором размещены катодный узел и сетка защитного экрана [2]. Катодный узел содержит восемьдесят отдельных катодов в виде катодных нитей из тугоплавкого металла, расположенных поперек выводного окна на расстоянии друг от друга и закрепленных в держателях, которые выполнены с возможностью перемещения с помощью пружин в изолированных кольцевых втулках, а также плоский формирующий электрод. В области каждой катодной нити создается свой электронный поток, а в результате суммарного действия всех отдельных катодов в области выводного окна может быть сформирован суммарный протяженный электронный поток. Электронная пушка с таким катодным узлом имеет ряд недостатков, присущих предыдущей конструкции. При одновременном воздействии на отдельные катоды высокой температуры и механических усилий растягивающих пружин возникает высокотемпературная ползучесть материала катодных нитей и происходит изменение первичного структурного состояния их материала, что приводит к уменьшению их прочности и снижает надежность и долговечность работы каждого отдельного катода, всего катодного узла и электронной пушки. Из-за большого количества массивных и громоздких элементов механизма крепления и натяжения катодных нитей происходит их значительный разогрев. Это приводит к уменьшению температуры, а следовательно, к изменению тока эмиссии и уменьшению удельной мощности электронного потока на концах катодных нитей, что снижает равномерность распределения плотности тока по длине каждого отдельного катода. Это приводит также к сильному выделению адсорбированных газов, в результате чего возможны электрические пробои в высоковольтных межэлектродных промежутках электронной пушки и отравление отдельных катодов, что снижает надежность и срок службы как самих отдельных катодов, так и всей электронной пушки. В результате термической деформации катодных нитей и элементов механизма крепления и натяжения их в катодном узле происходит искажение геометрии ЭОС электронной пушки и ухудшение ее параметров. Кроме того, для создания протяженного суммарного электронного потока требуется использование большого количества отдельных катодов и элементов для их крепления, что усложняет конструкцию катодного узла. В этом случае увеличивается также количество не эмитирующих промежутков между отдельными катодами. Поэтому перекрытие отдельных электронных потоков можно осуществить только на значительном расстоянии от катодов, что приведет к увеличению длины электронной пушки.

Наиболее близким по технической сущности является катодный узел электронной отпаянной пушки с протяженным электронным потоком для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду [3]. Катодный узел закреплен на держателе катодного узла в вакуумном объеме электронной пушки.

Катодный узел содержит ряд элементарных ленточных катодов, расположенных последовательно вдоль общей оси, параллельной продольной оси окна вывода электронов. Элементарные ленточные катоды закреплены с помощью держателей элементарных ленточных катодов на общем основании катодного узла, расположенном параллельно плоскости торцевого окна вывода электронов. В качестве элементарных ленточных катодов используют металлопористые или оксидные катоды. Эмиссионный слой в них размещен на керне катода. Обращенные в сторону окна вывода электронов эмитирующие поверхности катодов могут иметь плоскую или цилиндрическую (выпуклую, вогнутую) форму. Элементарные ленточные катоды отделены друг от друга технологическими зазорами. При подаче тока накала на катоды вследствие их теплового расширения происходит увеличение линейных размеров катодов, в результате чего элементарные катоды могут сближаться друг с другом.

В данном катодном узле частично решены проблемы, характерные для известных конструкций катодных узлов с прямонакальными катодами, выполненными в виде натягиваемых нитей из тугоплавких материалов и имеющими при воздействии на них тепловых нагрузок низкий предел прочности, измененную по отношению к первоначальной структуру материала и ограниченный ресурс работы. По сравнению с прямонакальными катодами металлопористые или оксидные катоды, являющиеся катодами косвенного накала, имеют более однородное распределение температуры по длине катода, меньше деформируются при нагреве и обеспечивают более равномерное распределение электронного потока по сечению. Они более экономичны и долговечны, так как для них требуется меньшая мощность накала. В катодных узлах с такими катодами отсутствуют сложные и массивные теплоемкие элементы для натяжения катодных нитей, приводящие к дополнительному снижению равномерности электронного потока в электронной пушке и уменьшению ее механической прочности, надежности и долговечности. При выборе оптимальной величины зазоров между элементарными ленточными катодами можно получить при нагреве общую эмитирующую поверхность, близкую к непрерывной поверхности, и обеспечить, таким образом, формирование протяженного электронного потока с более равномерным распределением плотности тока по длине общей эмитирующей поверхности всех элементарных ленточных катодов и по длине окна вывода электронов.

Однако в реальных конструкциях катодных узлов высокоэнергетичных электронных пушек длина общей для всех элементарных ленточных катодов эмитирующей поверхности может составить несколько сотен миллиметров. Поэтому при использовании в них известных крепежных средств, например проволочных держателей [4] для крепления элементарных ленточных катодов, возникают технологические проблемы, связанные с тепловыми деформациями элементов катодного узла. При нагревании до высокой температуры металлопористых или оксидных катодов происходит расширение их кернов (с эмиссионным слоем) как вдоль, так и поперек оси катодов или в других направлениях. В результате происходит деформация (коробление, скручивание и т.д.) элементарных ленточных катодов, а также изменение их геометрических размеров и формы. Возникающие при этом механические усилия воздействуют на проволочные держатели, на которых закреплены элементарные ленточные катоды. Проволочные держатели в силу своей геометрии и ограниченных возможностей их материалов не обладают достаточной жесткостью и прочностью. Под воздействием механических усилий и высокой температуры они деформируются и изгибаются во всевозможных направлениях, изменяя положение закрепленных на них элементарных ленточных катодов друг относительно друга, а также относительно других электродов электронной пушки. В результате происходит искажение формы элементарных ленточных катодов, катодного узла и геометрии ЭОС электронной пушки. При этом искажается форма отдельных электронных потоков, получаемых с элементарных ленточных катодов, и общего электронного потока электронной пушки, происходит неравномерное смещение электронных потоков относительно друг друга и электродов электронной пушки и оседание электронов на этих электродах. В результате ухудшаются равномерность распределения электронного потока по сечению и токопрохождение, увеличиваются потери мощности, снижается КПД и срок службы электронной пушки. Усилению этих недостатков способствуют также имеющие место технологические разбросы параметров и геометрии отдельных катодов и держателей.

Кроме того, для надежной и эффективной работы электронной пушки необходимо выбрать оптимальную величину зазоров между элементарными ленточными катодами. Если выбранная величина зазоров будет слишком велика, то при высоких температурах вследствие линейного теплового расширения кернов с размещенным на них эмиссионным слоем, образующим эмитирующую поверхность каждого катода, произойдет увеличение длины катодов на величину, меньшую, чем величина разделяющих их зазоров. При этом между элементарными ленточными катодами остаются не покрытые эмиссионным слоем промежутки, что препятствует получению общей эмитирующей поверхности, близкой к непрерывной поверхности, и снижает равномерность распределения электронного потока по сечению. Если выбранная величина зазоров будет слишком мала, то при высоких температурах элементарные ленточные катоды могут увеличить свою длину на величину, превышающую величину разделяющих их зазоров, вследствие чего в местах смыкания элементарных катодов могут возникнуть механические напряжения, приводящие к деформации и даже к разрушению катодов. При этом может произойти изменение положения эмитирующей поверхности элементарных катодов относительно других электродов электронной пушки, то есть искажение геометрии ЭОС пушки. Это также может привести к снижению равномерности распределения электронного потока по сечению, а также уменьшению надежности и долговечности катодного узла и электронной пушки.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение равномерности распределения протяженного электронного потока по сечению, а также повышение надежности и долговечности катодного узла и электронной пушки в целом.

Технический результат достигается путем создания однородного теплового режима катодного узла, получения более однородной общей эмитирующей поверхности и сохранения ее заданного геометрического расположения в ЭОС электронной пушки, что обеспечивается за счет предлагаемого в изобретении конструктивного выполнения элементарных ленточных катодов и элементов для их крепления в катодном узле, а также за счет выбора заданной величины тепловых технологических зазоров между элементарными ленточными катодами.

Предлагается катодный узел для электронной пушки с протяженным электронным потоком, содержащий закрепленные на держателях элементарные ленточные катоды, расположенные последовательно вдоль общей оси, параллельной общему основанию катодного узла, и отделенные друг от друга зазорами, в котором каждый элементарный ленточный катод содержит катодный цилиндр, в полости которого установлен подогреватель, а на внешней боковой поверхности закреплен керн, покрытый по всей его длине, равной длине катодного цилиндра, эмиссионным слоем, при этом каждый элементарный ленточный катод закреплен, по крайней мере, на двух расположенных на расстоянии друг от друга держателях и размещен вместе с ними в открытом с двух противоположных торцов корпусе, содержащем основание, боковые стенки и плоскую крышку с щелью для пропускания электронного потока, причем основание корпуса установлено на общем основании катодного узла и жестко скреплено с ним, плоская крышка корпуса расположена напротив основания корпуса, а боковые стенки корпуса расположены параллельно общей оси элементарных ленточных катодов и перпендикулярно основанию корпуса и общему основанию катодного узла, каждый держатель выполнен в виде тонкой металлической пластины, содержащей три прямоугольных участка, образующих П-образное соединение, каждый из прямоугольных участков снабжен расположенным перпендикулярно ему прямоугольным выступом, причем концы всех прямоугольных выступов обращены в сторону размещенного между ними катодного цилиндра элементарного ленточного катода и жестко скреплены с ним, при этом в каждом корпусе держатели установлены перпендикулярно основанию и боковым стенкам корпуса и жестко скреплены с ним, по крайней мере, на двух периферийных участках каждого держателя, при этом величина зазора d между элементарными ленточными катодами соответствует условию

d≥αL T,

где: α - коэффициент теплового расширения материала катодного цилиндра при максимальной температуре элементарного ленточного катода, 1/град.;

L - длина катодного цилиндра при комнатной температуре, мм;

Т - максимальная температура элементарного ленточного катода, °С.

Держатели элементарного ленточного катода могут быть прикреплены к боковым стенкам корпуса или к боковым стенкам и к основанию корпуса.

Использование в конструкции элементарного ленточного катода катодного цилиндра в качестве основы для крепления керна с эмиссионным слоем обеспечивает жесткость и формоустойчивость конструкции, а также простоту и удобство размещения подогревателя. При нагревании катодного цилиндра до высоких температур основное тепловое расширение происходит вдоль его оси. В предлагаемом катодном узле все элементарные ленточные катоды, а следовательно, и их катодные цилиндры расположены последовательно вдоль общей оси, поэтому при нагревании все они увеличивают свои размеры преимущественно в этом же направлении. Возможно также незначительное поперечное расширение катодных цилиндров, которое происходит равномерно по всем радиальным направлениям. При этом отсутствуют перекосы по углу и радиусу, что способствует сохранению положения элементарных ленточных катодов относительно других электродов пушки, улучшает равномерность электронного потока, повышает надежность и срок службы катодного узла.

Для крепления каждого элементарного ленточного катода в катодном узле используют, по крайней мере, два держателя, что повышает устойчивость и надежность конструкции. При этом каждый элементарный ленточный катод со своими держателями размещен в отдельном корпусе, закрепленном на общем основании катодного узла, что обеспечивает автономность каждого элементарного ленточного катода, его механическую защищенность и прочность, возможность реставрации в случае выхода его из строя. Кроме того, это повышает прочность и надежность предлагаемого катодного узла, а также упрощает и облегчает технологию его изготовления, так как позволяет изготавливать катодный узел поэтапно: сначала изготовить отдельные элементарные ленточные катоды, затем компактные корпусированные узлы элементарных ленточных катодов, после чего осуществить их сборку и крепление на общем основании катодного узла.

Применение в конструкции катодного узла в качестве держателей элементарных ленточных катодов тонких металлических пластин, обладающих достаточной жесткостью и способностью сохранять свою конфигурацию при механических и тепловых нагрузках, повышает надежность конструкции катодного узла. При механическом воздействии на тонкую металлическую пластину в направлении, перпендикулярном ее плоскости, пластина в силу своей упругости имеет возможность изгибаться в этом же направлении, а при прекращении механического воздействия на пластину она легко возвращается в исходное положение. При механическом воздействии на металлическую пластину в направлении, параллельном ее плоскости, пластина лишь незначительно меняет свою форму.

В предлагаемом изобретении каждый держатель элементарного ленточного катода выполнен в виде тонкой металлической пластины. В металлической пластине выполнены прорези, в результате чего она приобретает вид П-образного соединения трех прямоугольных участков, каждый из которых снабжен расположенным перпендикулярно ему прямоугольным выступом. Пластина с прорезями легче изгибается в направлении, перпендикулярном ее плоскости, особенно на участках вблизи свободных концов прямоугольных выступов. Концы всех трех прямоугольных выступов обращены в сторону расположенного между ними катодного цилиндра элементарного ленточного катода и жестко скреплены с ним, образуя устойчивое трехточечное соединение. Металлическая пластина на периферийных участках жестко скреплена с корпусом элементарного ленточного катода (например, с боковыми стенками корпуса или с боковыми стенками и с основанием корпуса), обеспечивая фиксацию держателя элементарного ленточного катода относительно его корпуса и общего основания катодного узла электронной пушки при любых температурах катода. При этом выполнение металлической пластины малой толщины значительно снижает передачу по держателю тепла от катодного цилиндра к корпусу, то есть предотвращает потери тепла в конструкции катодного узла, позволяет использовать меньшие величины тока накала подогревателя и делает конструкцию катодного узла более экономичной. Корпуса с установленными в них элементарными ленточными катодами и держателями последовательно расположены на общем основании катодного узла и жестко скреплены с ним, обеспечивая фиксированное положение этих элементов в катодном узле электронной пушки.

Минимальная величина зазора d между элементарными ленточными катодами определяется величиной максимально возможного удлинения катодного цилиндра, выполненного из материала с заданным коэффициентом теплового расширения, при максимальной температуре, до которой катод может быть нагрет в процессе технологического цикла изготовления, испытания и работы электронной пушки. Выполнение этого условия позволяет при достижении катодом максимальной температуры избежать деформации элементарных ленточных катодов и выхода их из строя, сохранить геометрию ЭОС электронной пушки и, в результате этого, обеспечить равномерность распределения по сечению протяженного электронного потока, повысить надежность и долговечность катодного узла и электронной пушки.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен закрепленный на держателях в корпусе элементарный ленточный катод предлагаемого катодного узла.

На фиг.2 изображен один из вариантов выполнения конструкции предлагаемого катодного узла для электронной пушки с протяженным электронным потоком.

На фиг.3 изображен поперечный разрез катодного узла, показанного на фиг.2.

Как показано на фиг.1, элементарный ленточный катод 1 содержит катодный цилиндр 2 длиной L, на котором закреплен керн 3 длиной L, покрытый по всей его длине эмиссионным слоем 4, а также подогреватель 5, установленный в полости катодного цилиндра 2. Элементарный ленточный катод 1 закреплен на трех держателях 6 и размещен вместе с ними в корпусе 7.

Катодный узел, показанный на фиг.2-3, содержит четыре последовательно расположенных элементарных ленточных катода 1, снабженных единым подогревателем 5. Каждый элементарный ленточный катод 1, содержащий катодный цилиндр 2, керн 3 и эмиссионный слой 4, закреплен на трех держателях 6. Держатели 6 выполнены в виде металлических пластин, каждая из которых содержит три прямоугольных участка 8, 9, 10, образующих в совокупности П-образное соединение, причем прямоугольные участки 8, 9, 10 снабжены расположенными перпендикулярно им выступами 11, 12, 13 соответственно. Катодный цилиндр 2 каждого элементарного ленточного катода 1 размещен между выступами 11, 12, 13 соответствующего держателя 6. Свободные концы выступов 11, 12, 13 прикреплены, например, с помощью сварки к катодному цилиндру 2, причем выступы 11 и 13 прикреплены в диаметрально противоположных точках катодного цилиндра 2, а выступ 12 прикреплен к нему в точке, расположенной с противоположной от керна 3 стороны катодного цилиндра 2 и смещенной от точек крепления выступов 11 и 13 на 90°. Каждый элементарный ленточный катод 1 с тремя держателями 6 размещен в открытом с торцов индивидуальном корпусе 7, содержащем основание 14, расположенные перпендикулярно ему две боковые стенки 15, 16 и расположенную параллельно основанию 14 корпуса плоскую крышку 17 с щелью 18 для пропускания через нее электронного потока с эмитирующей поверхности катода 1. Держатели 6 всех элементарных ленточных катодов 1 расположены перпендикулярно боковым стенкам 15, 16 и основанию 14 корпуса 7, при этом каждый из держателей 6, по крайней мере, на двух периферийных участках прикреплен к корпусу 7. В катодном узле, показанном на фиг.2 - 3, в боковых стенках 15, 16 корпуса 7 выполнены сквозные щелевые отверстия 19, в которых размещены внешние края прямоугольных участков 10, 8 держателя 6, которые жестко скреплены, например, с помощью сварки с боковыми стенками 15, 16 корпуса 7. При необходимости держатель 6 может быть жестко скреплен и с основанием 14 корпуса 7. Корпуса 7 всех элементарных ленточных катодов 1 последовательно установлены на общем основании катодного узла 20 на заданных расстояниях друг от друга, величина которых зависит от величины зазоров между катодными цилиндрами 2 элементарных ленточных катодов 1.

Предлагаемая конструкция держателей 6 допускает тепловое расширения катодных цилиндров 2 в продольном направлении вдоль общей оси элементарных ленточных катодов 1 в пределах заданных тепловых зазоров при сохранении заданного пространственного расположения эмитирующих поверхностей (эмиссионных слоев 4) элементарных ленточных катодов 1 в ЭОС электронной пушки. Выступы 11, 12, 13 каждого держателя 6 предотвращают радиальные перекосы катодного цилиндра 2.

Каждый держатель 6 в тепловом отношении находится в сложных условиях. Одни из его участков (выступы 11, 12, 13) подсоединены к горячему катодному цилиндру 2, а другие участки держателя 6 скреплены с более холодными боковыми стенками 15, 16 корпусов 7, соединенных с массивным общим основанием катодного узла 20. Задача снижения потерь тепла вдоль держателя 6 от катодного цилиндра 2 к боковым стенкам 15, 16 корпуса 7 и далее к общему основанию катодного узла 20 решается путем выбора материала держателя 6 с низкой теплопроводностью и за счет его малой толщины.

При выборе минимально возможной величины зазора d между элементарными ленточными катодами 1 (между катодными цилиндрами 2) надо учитывать не только рабочую температуру элементарного ленточного катода, но и максимальную температуру Т°С, которую может иметь этот катод, например, во время термовакуумной обработки, когда на него подают перекал. Поэтому величина зазора d между элементарными ленточными катодами выбирается из условия

d≥αL T,

где α - коэффициент теплового расширения материала катодного цилиндра при максимальной температуре элементарного ленточного катода, 1/град.;

L - длина катодного цилиндра при комнатной температуре, мм;

Т - максимальная температура элементарного ленточного катода, °С.

Если выбрать величину d меньше, чем αL Т, то при достижении элементарным ленточным катодом температуры, близкой к максимальной, вследствие теплового расширения увеличение длины катодных цилиндров 2 с эмиссионным слоем 2 может превысить ширину зазоров между ними. Возникающие при этом механические усилия могут привести к деформации (прогибанию, скручиванию и т.п.) катодных цилиндров, короблению эмитирующей поверхности и к другим дефектам, приводящим к искажению формы элементарных ленточных катодов, изменению их расположения в ЭОС электронной пушки и, в конечном счете, к их полному разрушению. В результате этого нарушается однородность электронного потока и равномерность распределения по сечению, снижается надежность и срок службы катодного узла и электронной пушки в целом.

Выбор максимально возможной величины зазоров между элементарными ленточными катодами зависит от назначения электронной пушки, в которой используется предлагаемый катодный узел. Например, для электронной отпаянной пушки с протяженным электронным потоком для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду максимально допустимая ширина зазора между элементарными ленточными катодами является сложной функцией, зависящей как от условий вывода электронного потока из пушки (в том числе, от толщины и материала фольги окна вывода электронного потока), так и от условий эксплуатации пушки (от дозы облучения объекта электронным потоком, от расположения облучаемого объекта относительно окна вывода электронного потока и т.д.). Поэтому рассчитать заранее максимальную ширину зазора трудно, более целесообразно определять ее экспериментально на макетах электронной пушки [5].

Предлагаемый катодный узел, показанный на фиг.2-3, работает следующим образом.

На подогреватель 5 катодного узла подают ток накала и нагревают элементарные ленточные катоды 1 до рабочей температуры. С эмиссионного слоя 4 каждого элементарного ленточного катода 1 выходит электронный поток, который, пройдя через щель 18 плоской крышки 17 корпуса 7 соответствующего элементарного ленточного катода 1, следует по направлению к аноду электронной пушки, в которой установлен катодный узел.

При работе электронной пушки в результате термического расширения происходит увеличение длины каждого катодного цилиндра элементарного ленточного катода. Катодные цилиндры с закрепленными на них кернами с эмиссионным слоем сближаются друг с другом, образуя общую эмитирующую поверхность, близкую к непрерывной поверхности. При этом смещаются скрепленные с катодными цилиндрами концы выступов держателей. Скрепленные с корпусом элементарного ленточного катода периферийные участки держателей остаются неподвижными относительно корпуса, а также основания катодного узла. Выступы каждого держателя препятствуют возможному в результате нагревания незначительному увеличению поперечных размеров катодного цилиндра (в радиальных направлениях). Наилучший результат компенсации таких поперечных расширений катодного цилиндра достигается при расположении выступов вдоль его радиусов. Таким образом, обладающие достаточной жесткостью и упругостью держатели обеспечивают возможность перемещения элементарных ленточных катодов вдоль их оси в пределах заданных зазоров между ними и препятствует расширению и перемещению катодов в других направлениях. Это позволяет предотвратить излишнюю деформацию элементарных ленточных катодов, обеспечить равномерное их смещение относительно друг друга только вдоль общей оси и сохранить при этом их расположение относительно электродов ЭОС электронной пушки. В результате повышается однородность электронной потока и равномерность распределения его по сечению, а также повышается надежность и долговечность катодного узла и пушки в целом.

Пример реализации изобретения.

Разработана электронная отпаянная пушка с протяженным электронным потоком для вывода электронного потока из вакуумной области пушки в атмосферу или иную газовую среду с выходной мощностью в импульсе 1 МВт (подаваемое на анод пушки ускоряющее напряжение составляет ˜200 кВ, ток на выходе ˜5 А). Расчеты показали, что для получения таких параметров в электронной пушке должен быть установлен общий катод с эмитирующей поверхностью, имеющей ширину ˜5 мм и общую длину ˜320 мм. Согласно изобретению изготовлен катодный узел, состоящий из четырех элементарных ленточных катодов длиной 80 мм каждый. При формировании эмиттеров элементарных ленточных катодов использована известная технология изготовления металлооксидных катодов [6]. На никелевый керн элементарного ленточного катода нанесено губчатое никелевое покрытие, заполненное тройным карбонатом щелочно-земельных металлов. Максимальная температура активирования такого эмиттера составляет 1050°С (1323 К). Каждый керн элементарного ленточного катода закреплен на своем катодном цилиндре, имеющем длину 80 мм. Как показывают расчеты, при выполнении кернов и катодных цилиндров из никеля и нагревании элементарных ленточных катодов до температуры 1050°С минимальный тепловой зазор между катодными цилиндрами (а также между кернами) должен составить ˜1,37 мм. [7]. Эксперименты на макетах электронных пушек показали, что на расстоянии 3-4 см от выходного окна электронной пушки выходящий из нее протяженный электронный поток заданной мощности будет однородным по своей длине на уровне 90% при условии, что зазоры между элементарными ленточными катодами не превысят 2,3 мм. Таким образом, для выполненной согласно изобретению электронной пушки величина зазора между элементарными ленточными катодами должна находиться в пределах от 1,37 до 2,30 мм. В разработанной электронной пушке величина зазора между элементарными ленточными катодами d была выбрана равной 1,6 мм ±0,1 мм. Катодный цилиндр каждого элементарного ленточного катода закреплен на трех держателях, выполненных в виде пластин, установленных перпендикулярно оси элементарного катода. В каждой пластине выполнены прорези, формирующие три прямоугольных выступа, длиной 2,5 мм каждый, направленные внутрь пластины. Концы выступов закреплены на катодном цилиндре. Первый и второй выступы закреплены на диаметрально противоположных участках боковой поверхности катодного цилиндра, а третий выступ закреплен на участке, расположенном с противоположной относительно эмиттера стороны цилиндра, отстоящем на 90° от участков крепления первых двух держателей. Пластины держателей выполнены из сплава 75 НМ, имеющего низкий коэффициент теплопроводности 0,113 Вт/(см·К). Для нагрева катодного узла использованы подогреватели в виде спирали.

Испытания разработанной электронной отпаянной пушки показали, что экспериментально измеренное распределение температуры по эмитирующей поверхности катодного узла длиной 320 мм и шириной 5 мм является достаточно равномерным (в пределах погрешности измерений оптическим пирометром), то есть отбор тока с поверхности общего катода однороден.

В разработанной электронной отпаянной пушке с катодным узлом, выполненным согласно изобретению, получен высокоэнергетичный протяженный однородный электронный поток, пригодный для широкого использования в электронной технике. Такие отпаянные электронные пушки, предназначенные для вывода протяженного электронного потока в атмосферу или иную газовую среду, могут быть использованы, в частности, в установках для радиационной полимеризации, радиационной модификации полиэтилена и других полимерных материалов, для стерилизации медицинских изделий, а также в мощных электроионизационных лазерах.

Таким образом, предлагаемый в изобретении катодный узел обладает повышенной надежностью и долговечностью и может быть использован в ЭВП различных типов и в электронных отпаянных пушках для формирования протяженных электронных пучков с равномерным распределением электронного потока.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №239452, МКИ: H01J 37/065, публ. 01.01 1969 г.

2. Патент США №3863163, МКИ: H01J 29/48, H01J 33/00, публ. 28.01.1975 г.

3. Патент РФ №2201635, МКИ: H01J 3/02, 23/06, 29/48, публ. 27.03.2003 г.

4. Патент РФ №2010373, МКИ: H01J 1/20, публ. 30.03.1994 г.

5. К.Г. Симонов. Электронные отпаянные пушки. - М.: Радио и связь, 1985. - Гл.3.

6. А.Б. Киселев. Металлооксидные катоды электронных приборов. -М.: изд. МФТИ, Физматкнига. 2002. - Гл.2.

7. В. Эспе. Технология электровакуумных материалов. - Том I. - M.: Госэнергоиздат, 1962. - С.146 и 159.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к катодным узлам для электронных пушек с протяженным электронным потоком, предназначенных для работы в электровакуумных приборах (ЭВП), или для электронных отпаянных пушек с протяженным электронным потоком, предназначенных для вывода электронного потока из вакуумной области в атмосферу или иную газовую среду. Катодный узел состоит из элементарных ленточных катодов, выполненных в виде катодного цилиндра с покрытым эмиссионным слоем керном и с подогревателем, закреплен в отдельном корпусе на держателях, выполненных в виде тонких металлических пластин, содержащих по три прямоугольных участка, образующих П-образное соединение. Каждый из прямоугольных участков пластины снабжен расположенным перпендикулярно ему прямоугольным выступом, причем концы всех прямоугольных выступов обращены в сторону размещенного между ними катодного цилиндра элементарного ленточного катода и жестко скреплены с ним, а периферийные участки пластины жестко скреплены с корпусом. Корпуса элементарных ленточных катодов установлены на общем основании катодного узла и жестко скреплены с ним, при этом величина зазора d между элементарными ленточными катодами соответствует заданному условию. Технический результат: повышение равномерности распределения протяженного электронного потока по сечению и повышение надежности и долговечности катодного узла. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Катодный узел для электронной пушки с протяженным электронным потоком, содержащий закрепленные на держателях элементарные ленточные катоды, расположенные последовательно вдоль общей оси, параллельной общему основанию катодного узла, и отделенные друг от друга зазорами, отличающийся тем, что каждый элементарный ленточный катод содержит катодный цилиндр, в полости которого установлен подогреватель, а на внешней боковой поверхности закреплен керн, покрытый по всей его длине, равной длине катодного цилиндра, эмиссионным слоем, при этом каждый элементарный ленточный катод закреплен, по крайней мере, на двух расположенных на расстоянии друг от друга держателях и размещен вместе с ними в открытом с двух противоположных торцов корпусе, содержащем основание, боковые стенки и плоскую крышку с щелью для пропускания электронного потока, причем основание корпуса установлено на общем основании катодного узла и жестко скреплено с ним, плоская крышка корпуса расположена напротив основания корпуса, а боковые стенки корпуса расположены параллельно общей оси элементарных ленточных катодов и перпендикулярно основанию корпуса и общему основанию катодного узла, каждый держатель выполнен в виде тонкой металлической пластины, содержащей три прямоугольных участка, образующих П-образное соединение, каждый из прямоугольных участков снабжен расположенным перпендикулярно ему прямоугольным выступом, причем концы всех прямоугольных выступов обращены в сторону размещенного между ними катодного цилиндра элементарного ленточного катода и жестко скреплены с ним, при этом в каждом корпусе держатели установлены перпендикулярно основанию и боковым стенкам корпуса и жестко скреплены с ним, по крайней мере, на двух периферийных участках каждого держателя, при этом величина зазора d между элементарными ленточными катодами соответствует условию d>αL Т, где α - коэффициент теплового расширения материала катодного цилиндра при максимальной температуре элементарного ленточного катода, 1/град; L - длина катодного цилиндра при комнатной температуре, мм; Т - максимальная температура элементарного ленточного катода, °С.2. Катодный узел по п.1, отличающийся тем, что держатели элементарного ленточного катода прикреплены к боковым стенкам корпуса.3. Катодный узел по п.1, отличающийся тем, что держатели элементарного ленточного катода прикреплены к боковым стенкам и к основанию корпуса.