Прямонакальный металлический катод

Полезная модель относится к области электровакуумной техники и вакуумной микроэлектроники, точнее к прямонакальным катодам приборов.
Известны прямонакальные металлические катоды, используемые в рентгеновских трубках различного типа и назначения. Как правило, такие катоды конструктивно выполнены в виде петли, спирали, биспирали различных размеров.
Прямонакальные катоды выполняют различной формы из тонкой проволоки или ленты, которую закрепляют в массивных держателях, подсоединяемых к источнику тока накала. Прямонакальные катоды из чистых металлов используются относительно редко, например, в электрометрических и мощных электронных лампах с высоким анодным напряжением, так как они наиболее стойки к разрушению под действием бомбардировки ионов, возникающих за счет ионизации остаточных газов в рабочем пространстве. Прямонакальный катод может быть из чистого металла с оксидным покрытием. Прямонакальные катоды маломощных ламп питаются постоянным током, а подогревные могут питаться также переменным током, поскольку они имеют большую массу и тепловую инерцию. Прямонакальные катоды разогревают током, проходящим непосредственно по проволоке, эмитирующей электроны.
Например, для длиннофокусных рентгеновских трубок изготавливаются катоды в виде моноспирали из вольфрамовой проволоки с различными присадками или активировкой поверхности для уменьшения работы выхода электронов и снижения рабочей температуры. При использовании чистого вольфрама катоды имеют высокую рабочую температуру, а для получения достаточного тока эмиссии спираль становится значительных размеров из-за необходимости развить рабочую поверхность. В этом случае узел катода состоит из коротких отрезков спирали, соединенных последовательно и установленных на отдельных изолированных стойках.
Так, известен прямонакальный катод спиральной формы, изготовленный из чистого вольфрама. Такой катод обеспечивает нужную для его применения в магнетроне эмиссию при температурах, превышающих 2400°К, что приводит к перегреву как самого катода, так и деталей прибора. Вследствие этого, вольфрамовые катоды наименее экономичны, долговечность таких катодов не более 1000 ч, применение их ограничено.
На практике приходится искать компромиссное решение для выполнения противоречивых требований: необходимой величины эмиссионного тока, минимально возможной рабочей температуры, требуемых в отдельных случаях значительных, линейных размеров катода, заданных параметров напряжения и тока накала и возможно большей долговечности или продолжительности работы.
Известны также прямонакальные катоды, когда при минимальных размерах для увеличения эмиссионной поверхности на основную проволоку катода навивают другую меньшего или такого же диаметра вплотную виток к витку, оставляя очень малые концы для контакта с выводами. В этом случае короткий отрезок основной проволоки является нагревательным элементом, а навитая проволока увеличивает эмиссионную поверхность.
Известна конструкция катода для рентгеновского излучателя, в которой на основную проволоку катода навивают другую меньшего диаметра, вплотную виток к витку (WO 2009060762). В US 2007090744 описан спиральный катод для рентгеновской трубки. Также известны конструкции катодов косвенного накала, в которых на основную проволоку катода навивают, с определенным шагом, другую проволоку меньшего диаметра (US 4886995, US 5066885).
Так же известен прямонакальный катод, выполненный из двух проволок одинакового диаметра, при этом одна из проволок выполнена прямой, а другая в виде спирали обмотана вокруг первой проволоки так, что витки спирали расположены на расстоянии друг от друга в несколько раз большем, чем диаметр проволоки спирали, и на расстоянии от прямой проволоки, значительно большем, чем диаметр проволоки спирали, а концы обеих проволок с одной стороны электрически между собой соединены (US 4176293, H01J 1/15, опубл. 27.11.1979). Это решение принято в качестве прототипа.
Из практики конструирования прямонакальных катодов известно, что ток эмиссии резко зависит от температуры нагрева тела катода. Но одновременно с нагревом происходит отдача энергии в окружающее пространство и для поддержания заданной температуры приходится принимать дополнительные меры.
Например, помещать катод в тепловой экран и возвращать излученную энергию на катод, либо изменять конструкцию катода, например, сокращать размеры спирали катода за счет уменьшения шага навивки, что приводит к подогреву соседних витков за счет излученной энергии.
Но такой прием приводит к сокращению размеров и протяженный катод в этом случае набирают из отдельных коротких спиралей, а для обеспечения требуемого тока эмиссии приходится увеличивать температуру со всеми отрицательными последствиями.
В известном решении из-за отсутствия контакта между проволоками и из-за значительного расстояния между витками спиральной проволоки значительная часть отдаваемой при нагреве энергии уходит в окружающую среду, что привело к необходимости формирования экрана.
В полезной модели ставится задача по созданию такой конструкции катода, которая позволила бы при одинаковых параметрах накала (напряжении и тока) иметь более низкую рабочую температуру, тот же или больший эмиссионный ток, большую механическую прочность и долговечность при простоте конструктивного исполнения.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении долговечности за счет формирования условий работы при более низкой рабочей температуре и при большом эмиссионном токе.
Указанный технический результат достигается тем, что прямонакальный катод выполнен из двух проволок одинакового или различного диаметров, при этом одна из проволок намотана на другую в виде спирали с шагом больше ее диаметра, а концы обеих проволок попарно электрически соединены.
В прямонакальном металлическом катоде одна из проволок может быть выполнена прямой, а другая проволока в виде спирали может быть выполнена с диаметром, меньшим или большим диаметра прямой проволоки. Возможно так же исполнение, что диаметры всех проволок одинаковые или одна из проволок может быть выполнена в виде спирали, а другая проволока при этом намотана на витки первой проволоки для образования биспирали.
Сущность заявленного предложения заключается в особенности конструкции прямонакального катода, в которой, прежде всего, увеличивается механическая прочность и устойчивость, обеспечивается более низкая рабочая температура, развивается эмитирующая поверхность и масса рабочего тела и в совокупности увеличивается токоотдача, надежность и долговечность.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - первый пример исполнения прямонакального катода;
фиг. 2 - второй пример исполнения прямонакального катода;
фиг. 3 - представлен пример исполнения прямонакального катода в виде биспирали;
фиг. 4 - пример исполнения прямонакального биспирального катода сформированного в спираль.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструктивное решение прямонакального металлического катода, выполняемого из двух проволок 1 и 2 одинакового или различного диаметров, при этом одна из проволок 2 намотана на другую проволоку 1 в виде спирали с шагом td больше ее диаметра, а концы обеих проволок попарно электрически соединены.
В общем случае прямонакальный металлический катод представляет собой элемент вакуумного прибора, который выполняется из двух проволок, одна из которых в виде спирали охватывает другую проволоку. Проволока в виде спирали намотана на другую проволоку с шагом расположения ее витков на первой проволоке большим по величине, чем диаметр проволоки, виде спирали. А концы проволок с одной и другой сторон электрически между собой соединены (попарно электрически соединены с образованием параллельного соединения).
Как вариант исполнения, показанный на фиг. 1, в прямонакальном металлическом катоде одна из проволок выполнена прямой, а другая проволока в виде спирали выполнена с диаметром, меньшим диаметра прямой проволоки.
Как вариант исполнения, показанный на фиг. 2, в прямонакальном металлическом катоде одна из проволок выполнена прямой, а другая проволока в виде спирали выполнена с диаметром, большим диаметра прямой проволоки.
Особенностью конструкции является также то, что в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к катоду в целом, он может быть выполнен и в форме биспирали. Для этого в прямонакальном металлическом катоде одна из проволок выполнена в виде спирали, а другая проволока намотана на витки первой проволоки (фиг. 3). Катод, выполненный в виде биспирали, может иметь различную форму. На фиг. 4 показан пример исполнения биспирального катода сформированного в спираль.
Электрическая схема предложенной конструкции катода представляет собой параллельно соединенные два сопротивления разной величины. Так как сопротивление отрезка проволоки изменяется прямопропорционально длине проводника и обратно пропорциональна квадрату диаметра, то не трудно рассчитать условия, при которых влияние второй спирали на величину суммарного сопротивления было бы малым.
Этими условиями будут следующие: отношения диаметров «D» первой проволоки, к диаметру «d» проволоки второй, должно быть от 1 до 5, а длина отрезка второй проволоки рассчитывается и подбирается из конкретной задачи для получения эмиссионного тока катода и температуры нагрева, но она всегда значительно превышает длину первого отрезка от 3 до 10 раз.
Работа предлагаемого нами катода происходит следующим образом. При подаче электропитания на катод происходит его нагрев с одновременным излучением части энергии за пределы катода. Однако в силу того, что поверхность тела накала катода сформирована из витков второй спирали, намотанной на вторую проволоку, то излучаемая ими энергия в значительной степени попадает на эти же витки, так как они располагаются на близком расстоянии друг от друга. За счет этого температура тела катода повышается. В случае навивки спирали из такой двойной проволоки шаг ее намотки может быть увеличен для достижения требуемой рабочей температуры катода и размеры такого спирального катода будут более протяженные.
Из практики конструирования прямонакальных катодов известно, что ток эмиссии редко зависит от температуры нагрева тела катода. Но одновременно с нагревом катода происходит отдача им энергии в окружающее пространство, что требует дополнительных затрат на накал.
Если поместить катод в тепловой экран, который возвращает часть энергии к телу катода, то его температура возрастает и, следовательно, возрастает ток эмиссии. Но возможно и другое решение. А именно, за счет экранирования увеличить поверхность катода и за счет того снизить температуру его нагрева, в тоже время увеличив ток эмиссии, уменьшить распыляемость его материала и тем самым увеличить долговечность.
Именно это достигается в предлагаемой нами конструкции, где роль теплового экрана играет вторая спираль, намотанная на первую с шагом, немного превышающим, до 1,5-2 раз, диаметр намотанной проволоки.
Степень влияния второй спирали на температуру всего катодного узла возможно менять, подбирая диаметр второго провода и шаг его намотки. Кроме того, изготавливая катод в виде биспирали из двойной спирали можно добиваться самоэкранирования при нагреве за счет изменения шага биспирали. Это позволит в ряде случаев использовать тело катода не из отрезков спиралей, соединенных последовательно, а в виде единой спирали, размещенной в цилиндрических изоляторах с компенсацией ее удлинения за счет температуры и устранения ее провисания между стойками изоляторов.
Таким образом, предлагаемая нами конструкция прямонакального катода, использующая двойную намотку проводников один на другой и формирование тела катода в виде спирали или биспирали позволила увеличить эмиссию тока, снизить температуру, развить рабочую поверхность и количество материала катода и тем самым увеличить надежность и долговечность катода и всего прибора в целом.