Катодно-подогревательный узел Советский патент 1993 года по МПК H01J1/20 

1

(21)4416711/21 (22) 02.03.88 (46)07.05.93. Бюл. № 17

(71)Институт горючих ископаемых и Всесоюзный электротехнический институт им. В.И.Ленина

(72)Л.А.Ашкинази, А.Н.Ермилов, М.И.Ро- гайлин, М.Е.Казаков и В.В.Прокимнов

(56)Пароль Н.В., Лазанов Б.П., Головченко А.А., Иофис И.А., Ковалев Б.П., Жолобов В.Ф, Катод из гексаборида лантана для электроннолучевого оборудования. - ПТЭ, 1984. №5, с.146.

Патент Великобритании N° 2147732, кл. Н 1 D, 1985.

(54) КАТОДНО-ПОДОГРЕВАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ

(57)Изобретение относится к электровакуумной технике. Цель изобретения - уменьшение потребляемой катодом мощности, повышение срока службы КПУ. а также увеличение диаметра эмиттера в КПУ. КПУ состоит из эмиттера 1, верхнего резистивного элемента 2. нижнего резистивного элемента 3, тепловых экранов 4 и токоподводов 5. Резистивные элементы выполнены из композиционного углерод-углеродного материала так, что сопротивление верхнего элемента в 2-5 раз меньше сопротивления нижнего, чем обеспечивается эффективный нагрев эмиттера большого диаметра. Экономичность КПУ повышается за счет повышенной жесткости углеродных нагревателей и малого допускаемого зазора между ними. Срок службы КПУ с эмиттером из гексаборида лантана возрастает за счет инертности углерода по отношению к гексабориду. Замена металлических эмиттеров позволяет снизить стоимость КПУ в 4-5 раз. 1 ил,, 2 табл.

со

с

Изобретение относится к электровакуумной технике и может быть использовано в электронных приборах, например в клистронах, лампах бегущей волны.

Целью изобретения является уменьшение потребляемой мощности, т.е. повышение экономичности срока службы катодно-подо- гревэтельного узла (КПУ), а также увеличение диаметра эмиттера.

Сущность изобретения состоит в том, что резистивные элементы (РЭ) выполнены из композиционного углерод-углеродного материала с армирующим каркасом из углеродного волокна и пироуглеродной матрицей с соотношением массы волокна и пироуглерода 40-60%, причем функцию нагревателя выполняет не верхний РЭ (как в

прототипе), а нижний; верхний же РЭ, на котором крепится эмиттер, является обратным токопроводом, при этом отношение сопротивления верхнего РЭ к сопротивлению нижнего от 1:2 до 1:5. При использовании композиционного углерод-углеродного материала для изготовления РЭ КПУ и соответствующих конструктивных измерений удалось создать экономичный прочный и компактный КПУ с компенсацией магнитного поля и диаметром эмиттера 6-15 мм.

Эффективность применения композиционных углерод-углеродных материалов определена следующими их свойствами: удельное сопротивление на два-три порядка превышает сопротивление тугоплавких металлов, вследствие-чегоудается понизить

ел

N О 00

Јь

макальный ток и отказаться от громоздких токоподводов; рост механической прочности с повышением температуры определяет возможность создания прочных конструкций с высокой вибропрочностью; минимальная химическая активность в отношении материала эмиттера (гексаборид лантана) определяет повышение ресурса узла; изготовление обоих резистивных элементов из однородного материала гарантирует равенство КТР и отсутствие гермодеформаций.

Изобретение поясняется чертежом, где показана конструкция КПУ, где 1 -эмиттер, 2 - верхний резистивный элемент(обратный токопровод), 3 - нижний резистивный элемент (нагреватель), А - тепловые экраны, 5 - токоподводы.

Предлагаемое массовое соотношение углеродною волокна и пироуглерода определяется следующими соображениями: при росте количества пироуглерода более 60% снижается вибростойкость изделия, а при понижении этой величины ниже 40% снижаются механическая прочность и жесткость.

Необходимость измерения функций верхнего и нижнего резистивного элементов вызвана следующими обстоятельствами, нагреть массивный (диаметром более 2-3 мм) змиттер из гексаборида лантана, укрепленный на резистивном элементе из композиционного углерод-углеродного материала, оказывается невозможным при умеренных макальных гоках, так как, во-первых, эмиттер шунтирует РЭ и тепловыделение в нем самом мало, Ею-вторых, малая теплопроводность композита не обеспечивает интенсивную передачу тепла от резистивного элемента к эмиттеру. Поэтому осуществлен переход к радиационному нагреву эмиттера излучением нижнею резистивного элемента. Выбор отношения сопротивления верхнего и нижнею элементов объясняется гак; при отношении более чем 1:2 ухудшается экономичность из-за дополнительною тепловыделения в экране.

При отсутствии дополнительного тепловыделения экран холоднее нагревателя примерно на 200°С и его излучение составляет около 70% излучения нагревателя. При превышении указанною соотношения излучаемая мощность резко возрастает. При отношении сопротивления экрана к сопротивлению нагревателя менее 1:5 сечение экрана настолько возрастает, что из-за теплоотвода от эмиттера по экрану уменьшается температура эмиттера и экономичность КПУ. Снижение потребляемой мощности связано с уменьшением зазора между резистивными элементами, что возможно из-за высокой формоустойчивости

и

10

15

20

25

30

35

углерод-углеродного материала и сокращения длины токоподводов, что, в свою очередь, обеспечено в 5-10 раз более низкой теплопроводностью композитов по сравнению с металлами.

Для испытаний был изготовлен катодно- подогревательный узел с резистивными элементами из композиционного углерод- углеродного материала с армирующим каркасом из углеродной ткани на основе гидратцеллюлозного или акрилонитрильно- го волокна и пироуглеродной матрицей, с эмиттером из гексаборида лантана, токо- подводами из графита и тепловыми экранами из графита, покрытого пленкой из карбида лантана.

Требуемое соотношение электросопротивлений верхнего и нижнего резистивных элементов (в пределах от 1:2 до 1:5) достигают, варьируя количество слоев ткани в верхнем и нижнем резистивном элементе (т.е. изменяя толщину резистивных элементов).

Для закрепления эмиттера по его высоте выполняют кольцевой паз и вставляют эмиттер в отверстие, вырезанное в тканой ленте, используемой для формирования верхнего резистивного элемента.

Заготовки для резистивных элементов помещают в термохимический реактор и осуществляют осаждение пироуглерода из газовой фазы (например, разложением угле- водородсодержащего газа) в поросый объем углеродной ткани при 950-1100°С и скорости осаждения пироуглерода 450 - 1000А°/ч.

Полученные после термообработки заготовки соединяют с графитовыми токопод- водами и осуа ествляют повторную термообработку при указанных выше условиях. Общее количество осажденного за две 40 стадии пироуглерода (от 40 до 60 мас.%) варьируют временем термообработки (около 30-120 ч за две стадии).

В результате указанных термохимических обработок достигается как упрочнение конструкции, так и ее монолитность. Пиро- углерод осаждается как в поровом объеме углеродного волокна, так и в порах графита, монолитно соединяя детали КПУ.

После термообработок поверхность эмиттера шлифуется для удаления поверхностной пленки из пироуглерода. Затем осуществляют окончательную сборку КПУ - монтируют тепловые экраны и др.

Пример. Для изготовления резистив- 55 ных элементов КПУ используют углеродную ленту шириной 14 мм типа Урал-205 (толщиной 0,4 мм) и Урал-100 (толщиной 0,2 мм). Верхний резистивный элемент выполняют намоткой двух слоев ткани Урал-205, а ниж- выполняют из одного слоя ткани Урал45

50

Эмиттер - диск из гексаборида лантана диаметром 10 мм и толщиной 1,5 мм. Расстояние эмиттера до места изгиба резистивного элемента 2 мм. Расстояние от места изгиба резистивного элемента до токопод- водов 3 мм. Зазор между резистивными элементами 1 мм.

Заготовки резистивных элементов (верхнего - с закрепленным в отверстии в ленте эмиттером) накладывают на оправку из никеля и помещают в термохимический реактор. Осуществляют термообработку в среде метана при 950°С, давлении 20 мм рт.ст. в течение 20 ч. Достигают весового соотноше- ния углеродное волокно: пироуглерод 85:15. Затем полученные резистивные элементы вставляют в прорези, выполненные в токоподводах из графита, и осуществляют повторную термообработку до достижения массового соотношения углеродное волокно: пироуглерод 50:50. (Термообработку ведут еще 80 ч). После термообработки эмиттер шлифуют для удаления пленки пи- роуглерода. Осуществляют сборку КПУ и его испытания.

Тепловые испытания проводят в циклическом режиме (50 циклов): быстрый выход на режим 1600°С, выдержка 60 мин, охлаждение 60 мин. Результаты тепловых испытаний сведены в табл. 1.

В табл.2 показано влияние массового соотношения углеродное волокно:пироут- лерод на механические характеристики КПУ, изготовленного согласно варианту 1.

Таким образом, достигается повышение ресурса, экономичности и надежности КПУ. Замена металлических резистивных элементов КПУ на композиционные, из углерод-углеродного материала, только за счет исключения дорогостоящих тугоплавких металлов позволяет снизить стоимость КПУ в 4-5 раз.

Формула изобретения

Катодно-подогревательный узел с компенсацией магнитного поля, состоящий из двух резистивных элементов, расположенных эквидистантно друг над другом, и эмиттера, закрепленного на верхнем резистивном элементе, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потребляемой мощности и увеличения эмиссионной поверхности эмиттера при использовании в качестве материала резистивных элементов из композиционного углерод-углеродного материала с армирующим каркасом из углеродного волокна и пироуглёродной матрицей, резистивные элементы выполнены с отношением электрического сопротивления верхнего резистивного элемента к сопротивлению нижнего от 1:2 до 1:5.

Таблица

Содержание компонент тон композиционного материала для реэис- тивного элемента

Приведена мех. прочность в кг на ленту шириной 1 см; Испытания на оибростойкость про водят на вибростенде, обеспечивающем амплитуду колебаний tO,5 мм при частоте 10 Гц. Испытания заканчивают при изменении электросопротивления образца 5$ от номинальной величины.

Таблица.

Показатели