Катодный узел электронной пушки с линейным прямонакальным катодом Российский патент 2024 года по МПК H01J37/02 H01J1/18 

Изобретение относится к элементам конструкции электронно-лучевых приборов (электронных пушек), использующих в качестве источника электронов прямонакальные термокатоды (далее - катоды) в виде прямолинейных отрезков проволоки круглого, прямоугольного или иного сечения.

Одной из задач, стоящих перед разработчиками электронных пушек с такими катодами, является надёжное, исключающее искрение закрепление концов проволоки и поддержание её в натянутом состоянии при нагреве.

Проблему надёжного закрепления обычно решают, зажимая концы проволоки между металлических пластин, стягиваемых винтами, вторую - закреплением указанных пластин на подпружиненном основании.

Так, известно устройство закрепления прямонакального линейного катода фиксацией его концов между стянутых винтами металлических пластин, в свою очередь, скреплённых с массивными частями разрезного фокусирующего электрода электронной пушки, подвешенными на концах плоских пружин, скреплённых другими концами с основанием катодного узла пушки [US 4126811].

Помимо чрезмерной технической сложности и опасности обрыва охрупченной работой при высокой температуре проволоки катода вследствие колебаний подвешенных на пружинах массивных частей фокусирующего электрода, существенным недостатком известного устройства является малая долговечность элементов, непосредственно, соприкасающихся с катодом. Вследствие интенсивного нагрева в вакууме после десятков часов работы резьбовые элементы устройства схватываются между собой. При попытке отвинчивания для замены катода, винты часто обламываются и, по меньшей мере, пластину с намертво застрявшим в ней обломком винта приходится заменять на новую.

Менее чувствительным к вибрациям является катодный узел электронной пушки с линейным прямонакальным катодом, концы которого закреплены в катододержателях, выполненных в виде стянутых винтами пластин, подвешенных на подвижных концах плоских пружин, прикреплённых другими концами через изоляторы к фокусирующему электроду пушки [RU 2238602].

Известная конструкция также отличается технической сложностью, а долговечность элементов крепления катода в ней также невелика по указанным выше причинам.

Известен также катодный узел электронной пушки с линейным прямонакальным катодом, один из концов которого проходит через крепёжную втулку, запрессованную в держатель, в который ввёрнут винт, упирающийся в конец катода и отгибающий его в сторону. Второй конец катода проходит через составную крепёжную втулку и таким же образом закреплён в её держателе, закреплённом на подвижном конце плоской пластинчатой пружины [SU 656125]. Для экранирования концевых частей катода от поля анода с целью получения однородной эмиссии с катода, крепёжные втулки со стороны, обращённой к рабочей части катода имеют полости, диаметр которых превышает диаметр катода.

Недостатками известного катодного узла является его техническая сложность, невысокая долговечность элементов крепления из-за использования резьбовых элементов и нестабильность эмиссионной способности катода, обусловленная тем, что ток накала может поступать в катод то через место контакта катода с направляющей втулкой, то через удалённое от неё место его закрепления на конце пружины.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является катодный узел электронной пушки с линейным прямонакальным термокатодом, скреплённым концами с плоскими пружинами посредством фиксирующих его положение элементов, выполненных в виде цилиндрических штифтов, установленных на подвижных концах пружин, причём скрепление катода со штифтами осуществлено за счёт упругости концов катода, завитых в виде цилиндрических спиралей в четыре витка, с натягом надетых на штифты [GB 1129957]. Неподвижные концы пружин скреплены со скобами-токоподводами, установленных на изоляторах на основании катодного узла.

Недостаток известного катодного узла состоит в необходимости предварительной точной завивки концов катода в спираль диаметром несколько миллиметров - операция весьма непростая, если учесть жёсткость и склонность к расслаиванию проволоки из вольфрама - единственного практически целесообразного эмиссионного материала для катодов электронных пушек. Кроме того, такое решение непригодно для крепления катодов из проволоки (плющенки) прямоугольного поперечного сечения. Стабильность характеристик электронной пушки с таким катодным узлом сравнительно невелика из-за невозможности точного задания места электрического контакта катода со штифтом. Также значительна вероятность соскальзывания пружинного конца катода со штифта вследствие расширения проволоки катода при нагреве. Кроме того, погрешность установки катода относительно окружающих его элементов пушки, например анода или фокусирующего электрода, близка к диаметру штифта.

Задачей настоящего изобретения является создание надёжного катодного узла с линейным прямонакальным термокатодом, имеющего высокую долговечность входящих в него элементов, простого в обслуживании и технически несложного. Ещё одна задача состоит в повышении однородности эмиссионного тока с поверхности катода по его длине.

Технические результаты предложенного изобретения состоят в повышении безотказности известного катодного узла, повышении точности установки катода, снижении трудозатрат (повышении производительности труда) на подготовку катода к установке и его установку, повышении однородности эмиссионного тока с поверхности катода по его длине, повышении стабильности характеристик электронной пушки.

Указанный технический результат достигается тем, что в катодном узле электронной пушки с линейным прямонакальным катодом, скреплённым концами с плоскими пружинами, пружины имеют на подвижном конце вырез, а также отверстие, расположенное от выреза на расстоянии (0,3–3)t, где t - ширина пружины, причём конец катода за вырезом отогнут, проведён через указанное отверстие и вновь отогнут.

Кроме того, вырез выполнен на торцевой части пружины и имеет треугольную форму.

Кроме того, вырез выполнен в виде отверстия, а конец пружины за ним отогнут в направлении к рабочей части катода.

Кроме того, вырез имеет форму ромба, одна из диагоналей которого параллельна оси отогнутого конца катода.

Согласно словарю [Ожегов С. И., Шведова Н. Ю. Толковый словарь русского языка / Российская академия наук. Институт русского языка имени В. В. Виноградова. М.: Азбуковник, 1997], в котором понятие «вырез» определяется как «ВЫРЕЗ…. 2. Вырезанное отверстие, выем. Низкий, широкий, круглый вырез (у платья)», в настоящем описании термин «отверстие» следует понимать как частный случай выреза вообще, который может быть и открытым.

Благодаря наличию на подвижном конце пружин выреза снижаются трудозатраты на подготовку катода к установке и его установку, обеспечивается точность позиционирования катода относительно окружающих его элементов электронной пушки, достигается надёжный электрический контакт между пружиной и катодом.

Благодаря выполнению выреза на торцевой части пружины упрощается изготовление пружины, достигается точная фиксация катода и повышается надёжность электрического контакта между пружиной и катодом, снижаются трудозатраты на установку и юстировку положения катода.

Благодаря выполнению соотношения L = (0,3–3)t, где L - расстояние от выреза до оси отверстия, а t - ширина пружины, обеспечивается снижение трудозатрат на установку катода и экономится материал, используемый в качестве катода. При L < 0,3t установка катода на пружину становится затруднительной из-за жёсткости катодной проволоки, а при L > 3T чрезмерным становится расход катодной проволоки.

Благодаря тому, что вырез выполнен треугольным, улучшается электрический контакт между пружиной и катодом, повышается его надёжность, обеспечивается стабильность характеристик электронной пушки.

Благодаря выполнению выреза в виде отверстия отогнутый участок пружины между вырезом и её торцом может быть использован в качестве экрана для концевой части катода, имеющей пониженную эмиссию, что повышает однородность эмиссионного тока с поверхности катода по его длине без применения дополнительных конструктивных элементов.

Благодаря тому, что вырез в виде отверстия имеет форму ромба, улучшается электрический контакт между пружиной и катодом, повышается его надёжность, обеспечивается стабильность характеристик электронной пушки.

Благодаря двукратному отгибу конца катода сначала на вырезе и затем после проводки катода через отверстие в пружине достигается надёжное закрепление катода на пружине при хорошем электрическом контакте между ними. Это сокращает трудозатраты на подготовку и установку катода, то есть повышает производительность труда при сборке катодного узла.

Благодаря выполнению выреза в виде отверстия в пружине и отгибу её конца в направлении к рабочей части катода участка пружины между вырезом и её торцом повышается однородность эмиссионного тока с поверхности катода по его длине без применения дополнительных элементов.

Существо изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображён вид сбоку на вариант катодного узла с катодом из проволоки круглого сечения, уложенным в вырез на торцевой части прямой пружины.

На фиг. 2 изображён вид сбоку на вариант катодного узла с С-образной пружиной, конец которой загнут в направлении к рабочей части катода пропущенного через вырез в виде отверстия.

На фиг. 3 изображён вид по стрелке на пружину с вырезом треугольной формы и катодом из круглой проволоки.

На фиг. 4 изображён вид по стрелке на пружину с вырезом прямоугольной формы и катодом из ленты прямоугольного сечения.

На фиг. 5 изображён вид по стрелке на пружину с отогнутым краем и закреплённым на ней катодом из круглой проволоки.

В качестве примеров конкретного выполнения катодного узла на чертежах фиг. 1 и фиг. 2 представлены два варианта, различающиеся формой пружин, расположением изоляторов, на которых они установлены, и формой основания (фокусирующего электрода). Детали, имеющие одинаковое назначение и название, но различающиеся конструктивным исполнением, на чертежах имеют одинаковые номера позиций с добавлением индексов «а» для варианта фиг. 1 или «б» для варианта фиг. 2.

Изображённый на фиг. 1 вариант предложенного катодного узла содержит линейный прямонакальный катод 1 из проволоки круглого сечения, закреплённый концами на подвижных концах плоских прямых пружин 2а, неподвижные концы которых установлены на изоляторах 3а, скреплённых с основанием 4а, и соединены с токоподводами 5. В представленных примерах функцию основания 4 выполняет фокусирующий электрод электронной пушки. Изоляторы 3а имеют небольшую высоту, и их применение целесообразно, когда разность потенциалов между катодом и фокусирующим электродом невелик, не превышает нескольких сотен вольт. Возможны и другие варианты закрепления неподвижных концов пружин, например такой, как в [GB 1129957].

Подвижный конец пружины 2а имеет на торцевой части 6 вырез 7 (фиг. 1, 3 и 4), обеспечивающий электрический контакт катода 1 с пружиной 2а, по которой к катоду подводится ток накала. Одновременно вырез 7 служит для фиксации положения катода 1 относительно основания (фокусирующего электрода) 4а пушки. Конец катода 1 позади выреза отогнут до положения, почти параллельного пружине 2а, проведён через отверстие 8 и вновь отогнут по направлению к неподвижному концу пружины (фиг. 1-5). При этом выполняется соотношение L = (0,3–3)t, где L - расстояние от выреза до оси отверстия, а t - ширина пружины. При L < 0,3t установка катода на пружину становится затруднительной из-за жёсткости катодной проволоки, а при L > 3T чрезмерным становится расход катодной проволоки. Указанное соотношение размеров установлено опытным путём для диаметра катода (0,2-0,6) мм, ширины пружины (4-16) мм. Толщина пружины из тантала в 0,5 мм вполне достаточна для указанных диаметров катода в диапазоне длин рабочей части катода от 40 до 1000 мм. Длина рабочего хода подвижного конца пружины определяется исходя из длины катода, а ширина пружины - из требуемого усилия натяжения. Если учесть, что удлинение вольфрамовой проволоки при 2800 К составляет всего 17 мм, необходимая длина рабочего хода пружины практически всегда оказывается небольшой. Так, для поддержания катода диаметром 0,5 мм и метровой длины в натянутом состоянии вполне достаточно пружин из танталового листа толщиной 0,5 мм и размерами 100 × 12 мм. Если катод короче, то и длина пружин может быть уменьшена.

Конфигурация выреза 7 зависит от профиля поперечного сечения катода. Для катода 1 из круглой проволоки предпочтительным является вырез треугольной формы (фиг. 3), поскольку он обеспечивает гарантированный электрический контакт катода с пружиной в двух точках и тем самым стабильность характеристик пушки. Предпочтительно, чтобы глубина выреза 7 составляла от 0,3 до 0,45 диаметра катода, а его ширина по торцу пружины не превышала 0,9 диаметра катода. Возможно выполнение выреза 7 также в форме полукруга или кругового сегмента.

В случае, когда используется ленточный катод, вырез 7 имеет прямоугольную форму и глубину, приблизительно составляющую половину толщины катода (фиг. 4).

Решение, подобное изображённому на фиг. 1, не формирует однородного распределения плотности эмиссионного тока вдоль катода из-за того, что эмиссионный ток с концевых частей катода, охлаждённых теплопередачей пружинам, меньше, чем ток с центральной части катода. Условно распределение тока вдоль катода на фиг. 1 и фиг. 2 показано стрелками 9, длина которых пропорциональна току эмиссии.

Для получения однородного распределения плотности эмиссионного тока можно экранировать недогретые участки катода от ускоряющего поля анода пушки посредством отогнутых концов пружин. Вариант катодного узла с таким решением представлен на фиг. 2. Он содержит те же элементы, что вариант, изображённый на фиг. 1, но отличается от него формой пружины 2б и тем, что катод 1 проходит не через вырез 7, как на фиг. 1, а через отверстие 10 в пружине 2б (фиг. 2 и фиг. 5), фиксирующее положение катода. Предпочтительной является ромбовидная форма отверстия 10 (фиг. 5), как обеспечивающая надёжный контакт катода с пружиной в двух точках. Конец 11 пружины 2б (фиг. 2) загнут под прямым или близким к прямому углом в направлении к рабочей, то есть эмиттирующей электроны, части катода 1. Тем самым он экранирует недогретый конец катода, и эмиссионный ток, отбираемый с катода, выравнивается.

Кроме того, вариант, изображённый на фиг. 2, использует иное расположение и конструкцию изоляторов 3б. Более крупные изоляторы применяются, если изменением разности потенциалов между катодом 1 и фокусирующим электродом 4б управляют распределением тока в поперечном по отношению к катоду сечении электронного потока. Для защиты изоляторов от запыления могут быть использованы экраны 12 и 13.

На подготовку катода к установке и установку катода требуется не более пяти минут. Вся подготовка сводится к отрезанию куска проволоки требуемой длины и отгибу под 90° концов.

Катод из вольфрамовой проволоки диаметром 0,5 мм при токе накала около 20 А и напряжении накала около 1 В/см может обеспечить удельную эмиссию порядка 1 А/см. Такая эмиссионная способность удовлетворяет большинству мыслимых применений. В случаях, когда к однородности распределения плотности эмиссионного тока вдоль катода предъявляются особо жёсткие требования, надо увеличивать диаметр катода и сокращать его длину. Это уменьшает влияние дополнительного подогрева катода током эмиссии.

Катодные узлы предложенной конструкции безупречно работают в электронных пушках для электротермии и в электронных ускорителях с выпуском несканируемого электронного потока в атмосферу через фольговые окна. Ресурс пружин, подобных описанной выше, превышает 1000 часов. Приблизительно таким же ресурсом обладают катоды из вольфрамовой проволоки диаметром 0,5 мм при удельной эмиссии 0,4 А/см.

Изобретение относится к элементам конструкции электронно-лучевых приборов, использующих в качестве источника электронов прямонакальные термокатоды (далее – катоды) в виде прямолинейных отрезков проволоки круглого, прямоугольного или иного сечения. Технический результат – повышение точности установки катода, снижение трудозатрат на подготовку катода к установке и его установку, повышение однородности эмиссионного тока с поверхности катода по его длине, повышение стабильности характеристик электронной пушки. В катодном узле электронной пушки с линейным прямонакальным катодом, скреплённым концами с плоскими пружинами, пружины имеют на подвижном конце вырез и отверстие, расположенное от выреза на расстоянии (0,3–3)t, где t – ширина пружины, причём конец катода за вырезом отогнут, проведён через отверстие и вновь отогнут. Вырез может иметь треугольную, прямоугольную или полукруглую форму. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Катодный узел электронной пушки с линейным прямонакальным катодом, скреплённым концами с плоскими пружинами, отличающийся тем, что пружины имеют на подвижном конце вырез и отверстие, расположенное от выреза на расстоянии (0,3-3)t, где t – ширина пружины, причём конец катода за вырезом отогнут, проведён через отверстие и вновь отогнут.

2. Катодный узел по п. 1, отличающийся тем, что вырез выполнен на торцевой части пружины и имеет треугольную форму.

3. Катодный узел по п. 1, отличающийся тем, что вырез выполнен в виде отверстия, а конец пружины за ним отогнут в направлении к рабочей части катода.

4. Катодный узел по п. 3, отличающийся тем, что вырез имеет форму ромба, одна из диагоналей которого параллельна оси отогнутого конца катода.