ПРЯМОНАКАЛЬНЫЙ КАТОДНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Советский патент 1995 года по МПК H01J1/16 H01J9/04 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронно-вакуумных приборах, в частности ЭЛП, например кинескопах.

Целью изобретения является повышение долговечности, экономичности и сокращения времени готовности катодного узла за счет упрощения конструкции и снижения управляющих потенциалов.

Сущность изобретения состоит в том, что накальный элемент катодного узла представляет собой непрерывную регулярную слоистую структуру в виде сложенной в гармонику ленты из двухкомпонентного рениевого сплава, сочетающего тугоплавкость, низкую упругость пара компонентов, инертность к эмиссионно-активному веществу, остаточным и технологическим газам при рабочих и технологических температурах, малый термический коэффициент линейного расширения и прочность. Ленточный накальный элемент всесторонне покрыт по крайней мере одним электронно-проницаемым широкозонным активным слоем, предпочтительно алюмината щелочно-земельных металлов или борида гадолиния. Лента ориентирована ребром перпендикулярно к поверхности катода, а ее концы расположены на дне продольного щелевого паза в тонкостенном цилиндрическом держателе предпочтительно из малотемпературопроводного тугоплавкого электроизоляционного материала, причем глубина паза выбрана равной сумме ширины ленты и расстояния катод-управляющий электрод. Накальный элемент фиксирован посредством двух сложенных вдвое проволочных токоведущих опор из низкорезистивного тугоплавкого металла так, что концы каждой из опор охватывают стенку держателя и имеют сварное соединение до упора в его нерабочий торец.

В изготовлении предложенного узла существенным для достижения положительного эффекта является получение непрерывной заготовки ленточного накального элемента предпочтительно прокаткой и травлением проволоки. Затем на полученную ленточную заготовку преимущественно одним из методов в ряду импульсный электрофорез, печать, окунание, опрыскивание при протяжке всесторонне наносят электронно-проницаемое покрытие толщиной 5-30 мкм, предпочтительно из борида гадолиния или алюмината щелочно-земельных металлов, который может быть создан и путем последовательных нанесения окиси алюминия толщиной 1,5+1 мкм и двойного-тройного карбоната бария-стронция-кальция или смеси окиси алюминия и указанных карбонатов и дальнейшей термообработки во время откачки прибора, активации катода, далее, покрытую ленту гофрируют путем протяжки через систему последовательно сопрягаемых зубчатых пластин с шагом, убывающим от общей оси, или шестерен, модуль которых отвечает шагу формируемой гармоники. Затем нарезанные заготовки накальных элементов складывают в гармоники при помощи разъемной формы из двух боковых магнитных ограничителей и n-образного стального сердечника, сечение которого определяет соответственно результирующую геометрию сложенной гармоники. После этого к ленточным концам сжатых гармоник приваривают плоскостью изгиба сложенные вдвое проволочные токоведущие опоры с взаимно перпендикулярной ориентацией опор и концов накального элемента, после посадки которых в щелевой паз держателя с охватом его стенки в осевом направлении их у каждой опоры спаривают и сваривают до упора в нерабочий торец держателя. Последний получают обжигом при конечной температуре шликерной отливки из алюмооксидной или кварцевой керамики, предпочтительно с использованием пенообразователя, преимущественно клееканифольной эмульсии и стабилизатора пены, предпочтительно метилцеллюлозы.

Обязательность сочетания для материала керна-наряду с обычными, обеспечивающими экономичность, легкость формовки и уменьшения резистивностью и дуктильностью перечисленных отличительных признаков обеспечивает улучшение потребительских свойств за счет возможности повышения соответственно рабочих и технологических температур, плотности тока луча, улучшения обезгаживания без угрозы, к. з. утечек, потери формоустойчивости, наводок, искажений полей, управляющих электронным потоком, электронопроницаемость и широкозонность активного слоя необходимы для беспрепятственного восполнения донорных вакансий благодаря частичному контактированию с керном при исключении межсекционного замыкания. Выбор указанных предпочтительных материалов для активного слоя исходит из удовлетворения сочетания достаточных активности и широкозонности. Перпендикулярная ориентация к торцовой рабочей поверхности катода ребра ленты отвечает задействованию в эмиссии практически всей поверхности с защищенностью от ионно-тепловой эрозии. Требование к малотемпературопроводности материала держателя и низкой резистивности токоведущих опор преследует профилактику неоправданных теплопотерь. Выбранные конфигурация держателя и система фиксации в нем катода гарантируют автоматичность выполнения точности сборки, соблюдения геометрии иммерсионного объектива электронно-оптической системы. Предложенный метод изготовления ленточной заготовки накальных элементов-прокаткой с травлением стандартной проволоки дает выигрыш как в снятии ограничений с минимизацией толщины заготовки, а также управляемости и поточности техпроцесса. Оговоренный диапазон толщины активного покрытия снизу определен достаточностью запасами противопробойности, а сверху прочности, развитости активного слоя. Отмеченная интегральная методика получения активного покрытия оптимальна с точки зрения удовлетворения условий эффективности, уровня плотности тока луча, снижения рабочей температуры мощности накала, а также широкозонности, простоты. При этом приведенное наименьшее значение толщины подслоя окиси алюминия соответствует достаточности результирующего электросопротивления активного слоя в целом, а превышение 2,5 мкм уже неприемлемо ввиду ощутимого нарушения его электрообмена с керном.

На фиг. 1 изображен вариант прямонакального катодного узла; на фиг. 2 сечение по А-А на фиг. 1.

Прямонакальный катодный узел содержит катод, представляющий собой непрерывную регулярную слоистую структуру в виде сложенной в гармонику ленты 1 из двухкомпонентного стандартного рениевого сплава, сочетающего тугоплавкость, низкую упругость пара компонентов, инертность к эмиссионно-активному веществу, остаточным и технологическим газам при рабочих и технологических температурах, прочность, намагниченность, малый термический коэффициент линейного расширения, ленточный накальный элемент покрыт по крайней мере одним электронно-проницаемым широкозонным активным слоем 2, 3, предпочтительно алюмината щелочно-земельных металлов, борида гадолиния, лента ориентирована ребром перпендикулярно рабочей поверхности катода, а ее концы расположены на дне продольного щелевого паза на торце тонкостенного цилиндрического держателя 4 предпочтительно из малотемпературопроводного электроизоляционного материала, причем глубина паза выбрана равной сумме ширины ленты и расстояния катод-управляющий электрод. Накальный элемент фиксирован посредством двух сложенных вдвое проволочных токоведущих опор 5 так, что концы каждой из них охватывают стенку держателя и имеют сварное соединение до упора в его нерабочий торец.

По физической сущности катод может быть отнесен к микрополым. Механизм его работы определяется фактором самовытеснения диффузии эмиттируемых активным слоем термовозбужденных электронов субмикронных щелевых межсекционных полостей гармоники вследствие их кулоновского расталкивания. При этом должна преобладать ориентация "выстреливания" электронов в результате минимального ускорения внутриполостным пространственным зарядом в сторону ускоряющего электрода, наводящего тянущее поле через диафрагмальное отверстие управляющего электрода. Данная ориентация стимулируется электроотрицательным потенциалом электроотражателя с нерабочего торца катодного узла, для которого предусмотрен паз в держателе. Отражатель электрически соединен с управляющим электродом (модулятором). Рабочий торец диэлектрического держателя имеет контакт с управляющим электродом и рабочую температуру в несколько сот градусов Цельсия, что практически исключает конденсацию на нем и краях диафрагмального отверстия модулятора материалов, возгоняющихся с катода, и соответственно, утечки. Указанное наряду с развитием на порядок запаса и эмиттирующей поверхности активного слоя как общих, так и, что особо важно, в рабочем центре катода против диафрагмального отверстия, а также с бронированием активного слоя при регулярности структуры эмиттера и автоматическом обеспечении точности сборки, геометрической стабильности, эффектах самооблучения, самоэкранирования секций катода, теплоизоляции держателем и тепло-экранирующим бандажем, конструкторско-технологическом упрощении и постоянной доактивации электролизом за счет тока накала, частично протекающего и через активный слой с восполнением электронных вакансий через контакты его с непрерывным ленточным металлокерном, способствуют реализации комплекса намеченных целей.

Катодный узел может быть изготовлен по следующей технологической схеме.

Сначала получали непрерывные ленточные заготовки прокаткой проволоки из молибден-рениевого или вольфрамрениевых сплавов МР-47, ВР-20, ВР-27 соответственно, для катодных узлов со сравнительно низковольтным (0,6-0,8В) и повышенным до 1,36н В напряжением накала. Последующим электро- или термохимическим травлением, например многократной до достижения нужной толщиной 8-11 мкм протяжкой предварительно плющенной ленты через ванну с концентрированной перекисью водорода изготавливали заготовки шириной 03,-0,7 мм. Затем отожженные ленточные заготовки всесторонне покрывали слоем окиси алюминия толщиной 0,5-2,5 мкм (в зависимости от требований к эффективности уровню эмиссии, ограничению уровня тока, мощности накала, межсекционной прочности гармоник) импульсным катафорезом с остановками ленты на время покрытия 1 с двадцатимиллиметровых участков при непокрываемых промежутках в 3 мм (оптимум напряжения 20-22 В, тока 3-5 мА), использовали алундовую суспензию СВО.028.300 ТК вязкостью 1000 сП. На алундированную ленту опрыскиванием за 10 проходов с каждой стороны наносили слой тройного карбоната бария-стронция-кальция толщиной 20 мкм (суспензия П-6-4Б на растворе полибутилметакрилата ТУ 6-01-1225-80). При этом ленту соответственно фиксировали на плоском заднике или рамке с помощью экранирующих зажимов, обеспечивающих непокрытие промежутков в 3 мм между двадцатимиллиметровыми оксидированными участками. Кроме того, изготавливали ленты с алюминатным покрытием опрыскиванием или окунанием той же толщины, а также с покрытием суспензией на основе смеси окислов алюминия и карбонатов бария, кальция. Далее оксидированную ленту гофрировали либо путем протяжки через систему сопряженных зубчатых колец с модулем 1,2 (шаг гофры 0,9 мм, радиус вершин зубцов 0,05 мм), либо с помощью двух последовательно сопрягаемых пластин с зубчатой поверхностью, предпочтительно характеризующейся постепенным убыванием междузубцового шага с удалением от общей от оси сопрягаемых формующих зубчатых пластин. При этом оксидное покрытие подпрессовывали со сглаживанием, упрочнением и усилением его контакта с керном. Затем расчлененные ленточные заготовки складывали в гармоники посредством разъемной пресс-формы, имеющей боковые стенки из постоянных магнитов, n-образный стальной сердечник, канал которого соответствовал высоте и шагу складывающихся гармоник. После этого под прямым углом к ленточным концам гармоник, фиксировавшихся в оправке с канавкой, лазерным лучом или контактной сваркой приваривали плоскостью изгиба сложенные вдвое проволочные токоведущие опоры из ниобия или молибдена диаметром 0,08-0,13 мм, причем в последнем случае применяли рений-никель-вольфрамовую присадку для контактной сварки. Наконец, гармоники вставляли до упора ребер ленточных концов в дно щелевого паза в разработанные цилиндрические тонкостенные (0,25 м) алюмооксидные или пенокварцевые держатели, полученные шликерным литьем соответственно, миналундовой или кварцевой массы и обжигом соответственно при 1700 и 1100^оС в течение 1 ч при скорости подъема температуры 400^оС/ч, причем при сборке узла концы каждой токоведущей опоры пропускали соответственно снаружи и внутрь держателя с охватом его стенки вдоль оси, после чего концы каждой опоры сваривали через рений-никель-вольфрамовую присадку, либо с использованием никелевого пистона до упора в нерабочий торец держателя.

Технико-экономическая эффективность изобретения подтверждена в ходе длительной наработки соответствующих катодоных узлов. Так, практическая значимость достигнутого результата определяется следующими факторами:
срок службы не менее 10 тыс.ч. против 1-2 тыс.ч. сравниваемых прямонакальных катодных узлов КУП- 0,15 и КУП-0,3 в режиме, приближенном к реальным условиям работы кинескопов;
существенно более долговременная стабильность термоэлектрических характеристик в 3-20 раз меньшие изменения тока катода, коэффициента качества, запирающего напряжения, модуляции, крутизны, модуляционной характеристики, а главное плотности тока луча, определяющей основное для ЭЛП четкость, яркость, стабильность изображения;
лучшая воспроизводимость (кучность), многократно меньшая дисперсия изменений параметров с минимизацией основных производственных и эксплуатационных дефектов;
предельное упрощение с сокращением числа элементов в 3-4 раза, компонентов материала керна-втрое, технологических операций в 5-8 раз при соответствующих упразднении и упрощении оборудования, оснастки;
улучшение массо-габаритных показателей узла с миниатюризацией в массе до 40 крат, габаритах в 4 раза и более;
повышение экономичности и быстродействия (при снижении удельной мощности накала в 45-60 раз) соответственно, время готовности до 1 с, мощность накала до 0,15 Вт и менее (с резким на порядок увеличением эмиттирующей поверхности и резерва активного вещества);
усиление электро- и механической прочности отсутствие утечек, к.з. пробойных явлений, высокая стабильность геометрии (изменение запирающего напряжения, определяющего основные характеристики иммерсионного объектива ЭЛП 1-2% против 20-60% для известных прямонакальных катодных узлов);
расширение области применения ввиду совокупности достигнутых и потенциальных преимуществ.

Экономический эффект от использования предлагаемых технических решений очевиден на следующем примере: только за счет удвоения ресурса (минимальная оценка с учетом обеспечиваемых решающих преимуществ) одних ЭЛТ стоимостью в сотни рублей за штуку. При многомиллионном годичном выпуске потенциальный годовой эффект может превзойти соответственно миллионы рублей при многолетнем выигрыше с сокращением цикл наука-производство.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электронно лучевых приборах, например кинескопах. Цель изобретения повышение долговечности, экономичности и сокращение времени готовности катодного узла. Прямонакальный катодный узел содержит катод в виде сложенной в гармонику ленты из рениевого сплава, покрытый слоем алюмината щелочно земельного металла 2, 3, причем ребро ленты перпендикулярно торцу катодного узла, гармоника помещена в керамический держатель 4 и фиксирована посредством двух проволочных токоведущих опор 5. По сравнению с известными прямонакальными катодными узлами со сроком службы до 2 тыс. ч предлагаемый узел имеет срок службы не менее 10000 ч, меньшую мощность и габариты. 2 ил.

1. Прямонакальный катодный узел для электровакуумных приборов, содержащий ленточный накальный элемент из рениевого сплава с эмиссионно-активным покрытием, держатель из электроизоляционного материала и токоведущие опоры, отличающийся тем, что, с целью повышения долговечности, экономичности, сокращения времени готовности за счет упрощения конструкции, накальный элемент представляет собой слоистую структуру в виде сложенной в гармонику ленты, ленточный накальный элемент, покрытый с обеих сторон эмиссионно-активным слоем и ориентированной ребром перпендикулярно рабочей поверхности катода, а концы ленты расположены на дне продольного щелевого паза в цилиндрическом держателе из малотеплопроводящего тугоплавкого электроизоляционного материала, накальный элемент приварен к двум сложенным вдвое проволочным токоведущим опорам так, что концы каждой опоры охватывают стенку держателя и имеют сварное соединение с упором в его нерабочий торец. 2. Способ изготовления прямонакального катодного узла, включающий операции формирования накального элемента, нанесение на него эмиссионно-активного покрытия, монтажа в держателе токоведущими опорами, отличающийся тем, что, с целью повышения процента выхода годного и упрощения способа, получают непрерывную ленточную заготовку накальных элементов, на ленточную заготовку с обеих сторон наносят эмиссионно-активное покрытие, затем гофрируют ее протяжкой через систему последовательно сопрягаемых зубчатых пластин с шагом, убывающим от общей оси, или шестерен, модуль которых отвечает шагу формируемой гармоники, нарезают заготовки накальных элементов и складывают в гармоники при помощи разъемной формы из двух боковых магнитных ограничителей и п-образного стального сердечника, сечение канала которого определяет геометрию сложенной гармоники, после этого ленточные концы сжатых гармоник сваривают в плоскости изгиба со сложенными вдвое токоведущими опорами, после посадки накального элемента в щелевой паз держателя и охвата его стенки концами каждой опоры в осевом направлении эти концы вставляют и сваривают до упора в нерабочий торец держателя.