КАТОДНО-ПОДОГРЕВАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ МНОГОЛУЧЕВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Катодно-подогревательный узел для многолучевых электронных приборов.
Изобретение относится к электронной технике, а конкретно - к катодно-подогревательным узлам для многолучевых электронных приборов,состоящим из системы нескольких металлопористых эмиттеров на единой обойме. Основной проблемой, возникающей при создании таких многоэмиттерных катодно-подогревательных узлов, является обеспечение малого разброса эмиссионных параметров отдельных эмиттеров в узле при сохранении прочности и формоустойчивости катодного узла. Эта проблема сводится к задаче эффективного крепления эмиттеров к посадочным местам для них в обойме узла.
Известна конструкция катодно-подогревательных узлов, в которой металлопористые эмиттеры закреплены в обойме - держателе путем механической завальцовки или сваркой 1.
Недостатком таких конструкций является их недостаточная прочность, особенно в режимах термомеханических нагрузок.
Известны конструкции катодно-подогревательного узла для многолучевых электронных приборов, содержащие набор индивидуальных эмиттеров, представляющих собой пористые вольфрамовую матрицу, заполненную эмиссионным веществом типа алюмината бария-кальция, укрепленных в отверстиях обоймы держателя посредством пайки 2, прототип. В качестве материала обоймы-держателя обычно используют тугоплавкие металлы: молибден, тантал, рений и их сплавы. Для осуществления пайки в известной конструкции эмиттеры вставляют в сквозные отверстия и осуществляют
пайку. При этом сначала припаивают заранее сформованную пористую матрицу, а после пайки пропитывают ее эмиссионным составом с последующей зачисткой от избытка эмиссионного материала. Такая технология довольно трудоемка и не обеспечивает высокую повторяемость эмиссионных параметров как от узла к узлу, так и внутри узла. Причиной этому в значительной степени является необходимость высокотемпературных режимов в технологии.
Наиболее подходящими для металлопористых катодов припоями на сегодняшний день являются высокотемпературные сплавы на основе металлов платиновой группы, припоев (температура пайки 1800-1900°С), химически не взаимодействующие с материалом эмиттеров и обладающие низкой скоростью испарения.
В технологической цепочке операций, обусловленной конструкцией многоэмиттерного узла 2, заложена вероятность получения различия в эмиссионных параметрах отдельных эмиттеров, поскольку обеспечить одинаковую пропитку всех узлов сложно. Кроме того, при высокотемпературных режимах пайки, обязательных в известном решении, трудно избежать загрязнения матрицы продуктами, выделяющимися из печи, а, следовательно, опять-таки, трудно обеспечить высокие эмиссионные параметры отдельных эмиттеров в катодном узле.
Таким образом, недостатком известных конструкций многоэмиттерных катодных узлов является разброс эмиссионных параметров эмиттеров в узле и следовательно недостаточная надежность и долговечность узлов, сложность изготовления и, соответственно, высокая цена, обусловленная сложностью производства и необходимостью использования драгметаллов.
Техническим результатом предложенного технического решения является повышение надежности и долговечности многоэмиттерного катодного узла, снижение трудоемкости при его изготовлении, снижение его стоимости.
Технический результат достигается за счет того, что в известной конструкции катодно-подогревательного узла для многолучевых
электронных приборов, содержащей набор индивидуальных эмиттеров, представляющих собой пористую вольфрамовую матрицу, заполненную эмиссионным веществом типа алюмината бария-кальция, и укрепленных посредством пайки в отверстиях обоймы-держателя, между эмиттером и стенками отверстия обоймы-держателя выполнен зазор размером 5 ... 10 мкм, припой размещен в зазоре и на поверхности эмиттера, противоположной эмитирующей, эмиттер погружен в отверстие обоймыдержателя на глубину, определяемую выражением
h где D-диаметр отверстия, см,
Н-толщина обоймы, см, .2и
fnof,
А-ширина зазора, см, РПЛ -плотность припоя, г/см, рпор-насыпная плотность порошка припоя, г/см.
Положительный эффект усиливается, если в качестве материала припоя использован порошок никеля с 4-6%(масс.) бора или узел порошок никеля с 12%(масс.) бора.
Таким образом .применяют иную, по сравнению с известным техническим решением 2, конструкцию места крепления эмиттеров в обойме-держателе, а в отверстиях эмиттеры устанавливают уже изготовленными из заранее пропитанной активным веществом матрицы. При этом дополнительно появляется возможность использовать низкотемпературные припои, в частности на основе эвтектик никеля с бором, которые проявляются в указанном диапазоне концентраций.
Суть изобретения иллюстрируется фиг.1 и фиг.2, на которых схематично изображены известная конструкция (фиг.1) и предложенная (фиг.2). На фиг. обозначены 1- обойма-держатель, 2 - индивидуальный эмиттер, 3 - припой.
Выраженное в математической форме соотношение между
геометрическими величинами (диаметром отверстия в обоймедержателе, ее толщиной, зазором) и свойствами припоя вытекает из
«V/3,/
необходимости выполнения двух требований: заполнения зазора между паяемой частью эмиттера и стенкой цилиндрического отверстия в обойме (обеспечение прочности паяного шва) и заплавления торца катода (предотвращение испарения активного вещества в сторону подогревателя). Обратим внимание, что место пайки эмиттера с обоймой в 2 вообще вынесено за пределы обоймы.
Вывод математического выражения состоит из следующих операций:
1.Вычисление объема (Vi) полости, предназначенной для заполнения порошком материала припоя: Vi HTTD /4-hTTD /4(H-h)
2.Вычисление насыпного веса PI порошка припоя, необходимого для заполнения объема V1: (H-h)
3.Вычисление объема (V2), который заполнит расплавленный припой: V2 TrDhA+TTD A/4 ATTD(h+D/4)
4.Следовательно, вес Р2 расплавленного припоя равен:
Р2 рплАТГО(Ь+0/4)
5.Так как , то мы можем записать равенство:
Рпор(Н-И)тт02/4 рплАттО(Ь+0/4)
Преобразуем: (H-h)D/4() рпл/ Рпор
6.Введем технологический параметр К Арпл/Рпор, где
Л-ширина зазора, рпл-плотность припоя, Рпор-насыпная плотность порошка. 7.
Использование предложенной конструкции места закрепления эмиттера в узле позволяет заранее полностью изготовить все индивидуальные узлы, проверить и отобрать заведомо одинаковые, рассчитанные на обеспечение заданной максимальной долговечности, а затем уже закрепить их в обойме-держателе. Таким образом, одновременно повышается надежность многоэмиттерного узла из одинаковых эмиттеров и снижается отход многоэмиттерных узлов, поскольку наиболее критичная к качеству операция заполнения эмиттера эмиссионным составом вынесена за операции сборки сложного узла, где ее осуществить легче и можно проконтролировать.. . Вставленный эмиттер не испаряется в сторону, противоположную эмитирующей поверхности, поскольку дно его в отверстии закрыто припоем. Примененный припой из никеля с бором обеспечивает подавление испарения активного вещества в сторону подогревателя при рабочей температуре катода 1150°Ся (яркостная) не менее чем в 100 раз, что обеспечивает не только увеличение долговечности эмиттера, но и повышает стабильность работы подогревателя.
Использование в качестве материала припоя порошков никеля с 4-6% бора или 12% бора обусловлено тем, что при таких содержаниях бора в никеле имеют место эвтектики сплава Ni-B. Как показали эксперименты, . первая эвтектика плавится в водороде при
температуре 1200°С, вторая - при 1100°С.
Выбор величины зазора подтверждается следующими примерами:
Пример 1. Изготовили эмиттеры заданной геометрии с
величинами зазоров 5, 7 и 10 мкм. Часть эмиттеров впаяли в обоймы Тогдаможнозаписать: (H-h)(h+D/4). После преобразования получим: (H-K)/(4K+D).
имели разброс температуры эмиттеров в узле в пределах погрешности измерения пирометром, т.е. не более 5°С. Прочность шва высокая.
Пример 2. Изготовили эмиттеры как в примере 1 , но с зазором 3 мкм. Прочность после пайки была ниже, чем у образцов примера 1. Кроме того резко возросла трудоемкость, связанная с изготовлением жестких размеров и установкой эмиттеров в узел на операции сборки.
Пример 3. Изготовили эмиттеры как в примере 1, но при сборке установили зазор 12 мкм. Прочность закрепления ухудшилась, поскольку капиллярные силы при расплавлении припоя оказались недостаточными для проникновения припоя в зазор.
Высокую прочность шва при использовании низкотемпературных припоев на основе эвтектик никеля с бором можно объяснить тем, что в процессе расплавления припоя происходит его насыщение материалами, которые он спаивает - вольфрамом и металлом держателя, в частности, молибденом, а также образование боридов этих металлов. Так что, после пайки состав припоя существенно меняется и температура расплава повышается на 500-600°С. Это и обеспечивает возможность работы катода при температуре, превышающей температуру пайки. При величине зазора более 10 мкм полного насыщения припоя спаиваемыми тугоплавкими металлами, в частности, вольфрамом матрицы и молибденом обоймы, не происходит, а при зазорах меньше 5мкм не получается согласованного спая ввиду различия коэффициентов теплового расширения спаиваемых металлов. Испытания предложенных конструкций в приборах показали, что по сравнению с конструкциями, паяемыми высокотемпературными припоями, т.е. по сравнению с 2, они долговечнее более, чем на 20%, разброс температуры от эмиттера к эмиттеру меньше (нам удалось добиться совпадения в пределах погрешности пирометра), процент выхода годных узлов выше (в разных типах узлов на 10-50%).
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки: 1 Г.А.Кудинцева и др.. Термоэлектронные катоды, изд. «Энергия, М.,.1966, С.214.
jjji;-(
2 С.Г.Шатрова и др., Многоэмиттерный термокатод и способ его изготовления, Авт. Свид.СССР №711920, кл. H01J1/20, 1978.(прототип).
Генеральный директор ФГУП «
А.Н.Королев