Токоподвод электровакуумного прибора Советский патент 1981 года по МПК H01J9/24 

(54) ТОКОПОДВОД ЭЛЕКТРОВМУУМНОГО ПРИБОРА

I

Изобретение относится к области производства различных классов электровакуумньк приборов (ЭВП), оболочки которых изготовлены иЬ стекла, и может быть применено при конструировании металлостеклянных токоподводов ЭВП.

В производстве, при испытаниях и эксплуатации электровакуумных приборов к спаям с:текла с металлом предъявляется целый ряд требований, а именно механическая прочность, вакуумная плотность, термическая и химическая .устойчивость, которые должн обеспечить надежность спаев. Одним из наиболее распространенных видов металлостеклянных спаев ЭВП являются токоподводы (штырьки ножек, дифлекторные и анодные штырьковые выводы, и т.д.).

Конструкция токоподвода влияет на величину термонапряжений, образующихся в металлостекляином спае при резком изменении температуры окружающей

среды. От величины этих термонапряжений существенно зависит процент выхода и надежность ЭВП.

Таким образом, при конструировании токоподводов ЭВП особенно важными условиями явля1§тся обеспечение минимума габаритньпс размеров и обеспечение соотношений геометрических размеров токоподвода, способствующих минимизации термонапряжений в стекле оболочки ЭВП.

Известны различные конструкции щтырьковых металлических токоподводов, заварийаемых в стеклянные оболочки ЭВП. Эти конструкции отличаются по диаметру штырькового вывода, его , применяемому для изготовления штырькового вывода металлу, сорту стекла оболочки, геометричесI кими размерами стеклянной бусы, в которую заварен металлический штырьковый вывод fl.

Известен токоподвод электровакуумного прибора круглого сечения. коаксиально заваренный в стеклянную бусу, имеющую форму тела вращения 2 В этом токоподводе отношение диаметра бусы к диаметру металлического стержня составляет не менее четырех. Определение статических термонапряжений в данной конструкции показало, что при такой геометрии токоподвода они минимальны. В известной конструкции при оптимизации ее по отношению диаметра металлического стержня к диаметру стеклобусы не учитьгоается влияние других геометрических и теплофизических параметров, а также динамика нагрева или охлаждения токоподвода на минимизацию нестационарных тер монапряжений . Данная конструкция не учитывает влияния длины выступающих частей металлического стержня в окру жающую среду и вакуумированный объем ЭВП; не учитывает динамику взаимодействия токоподвода с нагретой или охлажденной окружающей средой (тепло обмен со средой через поверхности металлического стержня и стеклянной оболочки). Кроме того, известная кон струкция не учитывает возникающее в процессе взаимодействия со средой нестационарное температурное поле, характеризующееся теплофизическими параметрами металлического стержня и стекла оболочки, а также их геометрическими размерами. В результат этого при резком изменении температуры окружающей среды в спае возникают достаточно большие нестационарные температурные напряжения. Целью изобретения является уменьшение габаритов токоподвода и повыше ние надежности. Указанная цель достигается тем, что в токоподводе электровакуумного прибора, содержащем металлический стержень круглого сечения, коаксиально заваренный в стеклянную-бусу, имеющую форму тела вращения, отноше ние части металлического стержня, выступающей из стеклянной бусы в ок жающую среду, и части металлического стержня, выступающей из стеклянной бусы во внутренний объем прибора, к диаметру металлического стерж ня определяется зависимостями .21. , , do 4 do где 1 - длина части металлического стержня, выступающая из ст клянной бусы; Ц - длина части металлического стержня, выступающая из стеклянной бусы во внутренний объем прибора; d - диаметр металлического стержня, а отношение расчетной толщины стеклянной оболочки ЭВП к диаметру металлического вывода определяется зависимостью.5, 0 . где hp - расчетная толщина стеклянной оболочки ЭВП, -V рде h - толщина стеклооболочки ЭВП без учета высоты бус; h - высота стеклянной бусы, выступающая из оболочки во внешнюю среду; h - высота стеклянной бусы, выступающая во внутренний объем ЭВП.. На фиг. 1 изображена предлагаемая конструкция токоподвода электровакуумного прибора; на фиг. 2 - графики изменения во времени радиальных и окружных температурных напряжений, возникающих в токоподводе при отрицательном изменении температуры окружающей среды; на фиг. 3 - графики изменения во времени радиальных и окружных температурных напряжений при положительном изменении температуры окружающей среды; на фиг. .4 кривые изменения во времени радиальных температурных -напряжений при отрицательном изменении температуры окружающей для различных значений величины , - отношения расчетной толщины стекла оболочки hp к диаметру металлического стержня dg; на фиг. 5 - семейство кривых изменения максимальнь1х радиальньпс температурных напряжений, в зависимости от приведенной величины Ц, пропорциональной длине части, металлического стержня 1 , выступающей из оболочки в окружакнцую среду (с коэффициентом пропорциональности, равным 2/dg) при различных значениях приведенной величины L, пропорциональной длине части стержня ),, выступающей во внутренний объем ЭВП, и оптимальном значении ё 4; на фиг. 6 - закон изменения максимальных радиальных температурных напряжений в зависимости от приведенной величины 1,2 при фиксированных значениях величин L и С. ; на Фчг. 7 - кривые изменения во времени радиальных температурных напряжений при отрицательном изменени температуры окружающей среды для различных значений ограничений отношения диаметра стеклянной бусы D к диаметру металлического стержн d/j и различных значений ограниче,„,й Ь Ji .. -ПР На фиг. 1 токоподвод изображен в цилиндрической системе координат rOZ. Координата г - радиус, направленный вдоль ср.единной поверхности стеклянной оболочки, а координата Z направлена вдоль оси стержня, Начало координат выбрано в точке пересечения оси стержня со срединной поверхностью оболочки, Токоподвод сострит из выступающей во внешнюю среду части металлического стержня 1 диаметром 2 (dg) и длиной 3 (Ц), выступающей из оболо ки во внешнкмо среду стеклянной бусы 4, диаметром 5 (D) и высотой 6 (h), стеклянной оболочки 7 с толщи ной стенки 8 () , стеклянной бусы 9, выступающей из оболочки, во внутренний объем ЭВП, диаметр этой бусы 5 (D), высота 10 (hj) выступающей во внутренний объем ЭВП части метал лического стержня 1 диаметром 2 (d и длиной 12 (1 -i) . Выступающие части стержней 1 и И вместе с участком стержня 13, контактирующим со стеклом, представляют собой металлическ стержневой ввод. Точка 1А лежит на линии соединения части стержня 1 и стеклянной бусы 4. В мет алло-стеклянном токоподводе при положительном или отрицательном изменении температуры окружающей р ды на величину на .поверхности стекла у границы с металлом (по окр ности диаметром dp ), проходящей через точку 14 (фиг. l), образуются Ц1 темперадиальные а у и окружные турные напряжения. Выражения б и (3 V. введены для предлагаемой конструкции токоподвода в результате анализа уравнений нестационарной теплопроводности и кваз 56 статической термоупругости тонких оболочек со стрежневыми включениями 6, . I )i- -T;C-Vo) V t 2 E-d-fc 1+ - сЯ- i-ji Tv 4 -4-itE(VT)-|:T., где интегральные характеристики температуры t: Т - среднеинтегральная температура и Т - среднеинтегральный температурный момент имеют вид .,., Jzidz, -(fпричем температура по толщине оболочки изменяется по закону .|.T, причем.t(j - температура окружающей среды; d. , d - коэффициент температурного расширения стекла и металла; , EQ - модули упругости стекла и металла; - коэффициенты Пуассона стекла и металла; расчетная полутолщина оболочки, равная 22. 4 R - радиус стержня токоподвода, равный . При выводе выражений для ip и 6( ля случая внешнего .термоудара, дейтвующего на ЭВП, считалось, что ерез внешнюю поверхность стеклообоочки и выступающую в среду цилиндри- . ескую поверхность (, djiZ o + l ) еталлического стержня осуществлятся теплообмен с внешней средой по акону Ньютона Внутренняя поверхность болочки и часть стержня 1I считались еплоизолированными, а между цилинрической поверхностью стержня (г R,- : Z4cf9 и оболочкой осуществлятся идеальный тепловой и термомеанический контакт. . Применив выражения для величин г и 6ц), проведено вычисление измеяюощхся во времени радиальных и кружных температурных напряжений, возникающих на поверхности соединения стеклянной оболочки ЭВП и металлического стержня токоподвода при плюсовом и минусовом скачках температуры окружающей среды (+Д1 и -At). При анализе принималось, что оболочка ЭВП изготовд ена из стекла С52-1, а металлический стержень токоподвода изготовлен из ковара (спл H29KJ8). Результаты анализа представлены на фиг. 2-4. По оси абсцисс отложены единицы безразмерного времени Fp. . dt 0 где а - температуропроводность стек ла, 1- - время, t сек; i - расчетная полутолщина стеклянной оболочки, fcT см. , . Дпя стекла С52-1 ,61 По ,2 см единице FQ соответству ет 7,14 сек. При оси ординат отложены безразм ные напряжения 6 к и 6л. А А (У - I Од - Е R Е d Д %, где Ьг радиальные напряжения в т ке. 14 на фиг. 1; выражены о 1«.Г В -« . .W ми. бц) - окружные напряжения в это точке. Величины Е, с ид указаны вьпп При анализе теплофизические и мех нические характеристики стекла С52и ковара принимались следующие: 1 Iftf Г ; .000. , . а.,4, ,7-1о-1 -. град град В этом случае при скачке температур )д tl единице величины 6й соответствует 4,87- . При анализе принято, что скачок температур окружающей среды производится наиболее опасным для прочности спаев образом, -со есть фронт скачка при изменении температуры во времени имеет прямоугольную фор му. Начало отсчета времени на кривых 15-26 (фиг. 2, 3 и 4) принято в момент изменения температуры окружающей среды. Учитывая, что напряжения растяжения в стеклянных деталях токопод вода значительно опасней напряжений сжатия, из результатов анализа 58 приведенных на фиг. 2 и 3 делаем выводы : 1.При спаде температуры (-Д1)6р; ОдСбк .- кривая -15, (j - кривая 16) , бк, при этом принимают положительные значения, то есть являются напряжениями растяжения. 2.При подъеме температуры (+At)5p в (в кривая 17, 6j2.- кривая 18) При зтомб принимают отрицательные значения, то есть являются напряжениями сжатия, а принимая положительные значения, в этом случае меньше , чем (5р . При равенстве по абсолютной величине температурных скачков +д1 и -At величины (зр На кривых 15 (фиг. 2) и 18 (фиг. 3) и (5е -на кривых 16 (фиг. 2) и 17 (фиг. 3.) в каждый ,заданный момент воемени в KOHCTDVKиии токоподвода равны по величине и противоположны по знаку (для скачков температуры противоположного знака) , В результате эксперимента и численного анализа установлено, что . наиболее опасшми для разрушения металлостеклянного токоподвода являются радиальные напряжения растяжения при спаде темпер.атур (кривая 15 на фиг.2). Кривая 15 имеет выступ в начальный период . После выступа происходит спад напряжений в стекле токоподвода до стационарного уровня, характеризуемого разностью КТР стекла и металла. На фиг. 4 приведено семейство кривых изменения радиальных напряжений в токоподводе в зависимости от без размерного врем%1и FQ при минусовом температурном скачке. При этом кривые 19, 21, 23 и 25 показываютизменение величины GR в конструкции при & 0,5, 2 4 и 6 соответственно для относительной длины ,,3, где L, I (1, + f); С. S llerM. 0 taan 4- М Лп 20, 22, 24 и 26 показывают изменение величины 6р в стеклобусе токоподвода при 0,5, 2 4 и 6 соответственно для относительной длины 10. Анализ результатов, приведенных на фиг. 4 показывает, что выступ на кривой напряжений (Jp бр (Fg ) будет отсутствовать при . Одновременно можно сделать вывод, что кроме ё на величину зй в токоподводе влияют величины L. и L.. 9 Анализируя характер изменения максимальн радиальных температур ных напряжений в конструкции токоподвода при отрицательном скачке температур для S 4 и фиксированн длине L-2(L,3 - кривая 27, кривая 28 и - кривая 29) в зависимости от величины L (фиг. 5 можно сделать вывод, что вел 1чина . и о в бусе токоподвода. уменьшается с возрастанием L и достигает установившегося значения при L, 5 (см фиг. 5), Учитывая это, приведен анализ влияния L ,2 на величину напря „ в конструкции при € 4 жении эр и , то есть оптимальных значеg- и L, (фиг. 6). Величина бJ Б токоподводе (фиг. 6) при внеишем одностороннем термоударе практически не зависит от значения величины Lrt (кривая 30) Однако при изготовлении ЭВП в процессе заварки токоподводов в стеклооболочку, а также при прессовке ножек на токоподводы действует двусторонний термоудар (в начале +At при нагреве оболочки ЭБП и затем -Д1 при ее охлаждении) При двустороннем термоударе треск стекла в зоне токоподводов происходит на границе выступающей части штыря 1 и в зоне выступающей части штыря В этом случае анализ и эк перимент, показывают, что 1 и 1 одинаково способствуют образованию термонапряжений и, следовательно, для более жесткого случая - двустороннего термоудара ограничения на 1,2, надо накладывать такие же, как ограничения на величину , . Таким образом, оптимальная конструкция токоподвода, в которой наи более опасные максимальные радиальные термонапряжения растяжения будут сведены к минимуму, должна имет три основных ограничения: . 4; Здесь Е Кроме этих ограничений для оптимальной конструкции следует применять ограничение- ; 4. О . 5 На основании вышеизложенного ограничения конструкции имек)т вид Vip ., ,1 -, do ,, , Cfo На фиг. 7 схематически приведены кривые изменения радиальных напряжений в стекле токоподвода в зависимости от безразмерного времени F при минусовом температурном скачке. При этом кривая 31 показывает изменение величины R при отношении д. do .4 . do do (ограничения, присущие конструкции, взятой за прототип, и ограничения, предложенные в данном изобретении, не выполняются). Динамические и стационарны.е напряжения велики. Кривая 32 показывает изменения величинь) 6к при отношениях л (выполняется ограничение прототипа), 4Ч-..-55 --«чения,предложенные в данном изобретении, не выполняются). Выполнение ограничения прототипа приводит- стационарные термонапряжения к минимуму. Однако динамические термонапряжения остаются на высоком уровне. Кривая 33 показывает изменение величины fi при отношениях . (выполняются ограничения прототипа три ограничения, предложенные в анном изобретении), При этом за счет ыполнения предложенных ограничений инамические термонапряжения приниают минимальные значения и по велиине меньше стационарных. За счет ыполнения ограничений прототипатационарные термонапряжения приимают также минимальные значения, оответствующие разности коэффициенов температурного расширения стека и металла прн установившейся темературе. При выполнении предложенных ограичений обеспечиваются минимальные абариты токоподвода и включается механизм его температурной инерцион ности. Он позволяет ограничить нестационарные термонапряжения величи ной стационарных термонапряжений и тем самым обеспечить надежность конструкции токоподвода в динамичес ких температурных режимах не ниже е надежности при стационарных режимах эксплуатации. Минимизация габаритов токоподвода способствует экономии дефицитных металлов, применяемых пр изготовлении ЭБП. Максимальные размеры элементов токоподвода должны ограничиваться технологическими допусками на велич ны: для диаметра стеклобусы D - допуском д О ; для величины допуском для величин h, h допусками дН илЬ 2 соответственно, для величи 1, 1.2-ДОпусками 41 к Л соответ ственно . Выполнение вьшеуказанных ограничений с учетом допусков представлено следукяцими выражениями: B-AD,. . v ( .. . .1-д1., o-AV- - .. ,.i 1 -Д BI Q Учитывая, что наиболее распростр , нённые значения величин диаметра ме таллического стержня токоподвода (d{) в конструкциях ЭВП изменяются в пределах от 0,5 до 2,5 мм (токопо воды в которых d(j 7 2,5 мм выполняют ся в виде полого цилиндра), а также применяемые технологические допуски величин, указанных в выражениях (1-4), двусторонние ограничени для определения оптимальных геометрических соотношений конструкций то коподвода будут следующими: 4-i-3- 45;) , 0 4..-, 4 4-ап---а 4 do Конструкция токоподвода, выполне ная с учетом полученных соотношений и соотношений, присущих прототипу, проведена при изготовлении электров куумных приборов. Было изготовлено 30 приборов, каждый из которых имет четыре токоподвода (всего 120 токоподводов). Параллельно для проверки эффективности указанных ограничений было изготовлено 30 аналогичных приборов со 120 дифяекторными выводами, для которых выполнялось условие оптимизации конструкции - прототипа и не выполнялись три условия оптимизации, предложенные в изобретении. -Все приборы были подвергнуты трехкратному испытанию на термоудар по ГОСТу 16962-71. Перед началом испытаний оболочки приборов были подвержены тщательному отжигу и откачаны-. В процессе испытаний приборы нагревались до температуры с последующим быстрым охлаждением до температуры . Было проведено три цикла таких испытаний. После испытаний прочность спаев токоподвода была проверена путем контроля под микроскопом при 10-ти кратном увеличении для обнаружения тресков и сколов стекла. В приборах с токоподводами предлоенной конструкции треск по дифлекторным выводам составил 2,5%. В то же время в приборах с токоподводами существующей конструкции он равен 5%. Кроме того, были проведены испытания этих двух групп приборов при термоударе (от +250°С до -85°С по ГОСТ 16962-71). При этом у приборов с оптимальной конструкцией токоподводов количество разрушений уменьшалось в семь раз. Таким образом, результаты испытаний подтвердили возможность значительного увеличений термопрочности ЭВП путем приме ния описанной конструкции токопровод;а. Эти оптимальные токоподводы имеют меньшие габариты, чем г абариты токоподводов в существующих ЭБП. Предложенный токоподвод электровакуумного прибора уменьшает расход металлов на токоподвод, уменьшает габариты приборов и Повышает их на.дежность в эксплуатации за счет сни.жения габаритов токоподводов, повышает качество токоподводов, то есть повышает их термопрочность, надежность и долговечность за счет снижения термонапряженийi увеличивает диапазон температур, в котором раб отают ЭВП, что устраняет необходимость разработки ряда приборов, работающих в условиях резкого измене1тя

температуры окружающей среды, уменьшает % разрушения ЭВП по метаплостеклянным токоподводам при изготовлении приборов на термических операциях.

Технология изготовления предложеиного токоподвода не меняется по сравнению с используемой для известного токоподвода. Формула изобретения Токоподвод электровакуумного при бора, содержащий металлический стер жень круглого сечения, коаксиально заваренный в стеклянную бусу, имеющую форму тела вращения, от л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью уменьшения его габаритов и повышени надежности, токоподвод выполнен . так, что отношение длины части мета лического стержня, выступающие из стеклянной бусы в окружающую среду, и длины части металлического стержн выступающей из стеклянной бусы во внутренний объем прибора, к диаметру металлического стержня определяется зависимостями . V Ц длина части металлического стержня, выступающая из ст клянной бусы;

1 - длина части металлического стержня, выступаняцая из стеклянной бусы во внутренний объем прибора;

d диаметр металлического стержня,

а отношение расчетной толщины стеклянной оболочки электровакуумного прибора к диаметру металлического вьг вода определяется зависимостью Jl. 5 j. J do hp - расчетная толщина стеклянной оболочки электровакуум. L. L . t+nl. ного прибора, hp,hj,+ толщина стеклооболочки электровакуумного прибора без учета высоты бусы; - высота стеклянной бусы, выступающая из оболочки во внешнюю среду; высота стеклянной бусы, вы ступающая во внутренний объем электровакуумного прибора.. Источники информации, нятые во внимание при экспертизе 1.Дубровский В.А. и др. Теоретикое и экспериментальное исследоие прочности спаев металла со стем. Обзоры по электронной технике, . Электровакуумные и газоразрядприборы. М., Электроника, 4, вып. 4 (199), с. 9-18. 2.Любимов М.А. Спаи металла to клом. М.-Л., Энергия, 1968, 131-142 (прототип).

tt 5

ч

S

12

№

/

2ff

2

16

0,г

а- J

N

60

аг.2

0,6

o,f

17

5f9L2

Фиг.З

Фиг 6

Фиг 7