При энерговыделении на аноде более 100 Вт для обеспечения номинального теплового режима требуется принудительное (жидкостное либо воздушное) охлаждение. Такие приборы могут выполняться только с цилиндрической системой электродов. При небольшой мощности на аноде (Pa ≤100 Вт) тепловой режим анода обеспечивается излучением. Такие лампы могут выполняться как с плоскопараллельной, так и с цилиндрической системой электродов.
Своеобразной особенностью плоскопараллельной системы является возможность монтировать в одном баллоне нескольких идентичных по конструкции электродных пакетов, каждый из которых обеспечивает электронный ток, равный общему току, деленному на количество используемых катодов. Катоды и сетки монтируются в лампе как единый катодно-сеточный узел. Возможен вариант, когда несколько катодно-сеточных блоков имеют общий анод, но в пределах каждого анодного узла должно размещаться одинаковое количество катодно-сеточных пакетов (рис.15).
В лампах цилиндрической конструкции могут применяться катоды прямого накала стержневой, спиральной, биспиральной (бифилярной) и чулочной конструкции.
Катоды стержневой конструкции (рис. 4) выполняются в виде параллельно включенных нитей, которые формируются на основе П-образных петель, образующих общую стержневую систему. Количество нитей N выбирается обычно от двух до четырех. Соответствующее количество стержней – в два раза больше (Nст = 2N). Если длина одной нити Lк, то высота стержневой системы h = Lк/2 (участками нитей в торцевой стороне катода пренебрегаем ввиду шунтирования этих участков крепежными элементами).
Достоинством стержневого катода является возможность применения сеточного блока с траверсами, что позволяет заметно повысить теплоотвод от сетки за счет теплопроводности по виткам и траверсам (см. раздел 7.3.).
Катоды спиральной (рис. 5,а) и биспиральной (рис. 5,б) конструкции обеспечивают возможность снизить габариты лампы. Высота h и радиус rк таких катодов выбираются достаточно произвольно с тем лишь ограничением, чтобы по высоте укладывалось несколько витков катодной спирали. Недостатком этих вариантов является большая тепловая нагрузка на сеточный узел. Кроме того, при спиральном варианте трудно обеспечить хорошую формоустойчивость, поскольку в верхней части катодного узла обязательно должно быть жесткое соединение с центральным стержнем. Из-за этого при нагреве катод расширяется по радиусу, что ведет к изменению межэлектродных расстояний. В катоде биспиральной конструкции соединение с центральным стержнем делается скользящим, поэтому при нагреве меняется только высота катода.
Наибольшую компактность и вибропрочность электродной системы обеспечивает вариант с катодом чулочной конструкции (рис. 6). Количество параллельных нитей должно быть четным и может колебаться от 10 до 20 и более. Высота и радиус катода выбираются так, чтобы каждая нить укладывалась в виде спирали менее чем в один оборот.
Катоды петлевой V-образной конструкции (рис. 7) предназначены для установки в лампах с плоскопараллельной системой электродов. Места перегиба закрепляются с помощью пружинок в керамических либо слюдяных изоляторах. Количество петель может быть 1, 2, 3. Большее количество петель нежелательно, так как при этом необоснованно увеличиваются поперечные размеры прибора и усложняется теплоотвод от сетки за счет теплопроводности. Высота катодного узла h ≈ Lк/(2Nп).
Катоды из чистого вольфрама имеют низкую эффективность и высокую рабочую температуру. Достоинством их являются устойчивость к ионной бомбардировке и стабильность параметров. Такие катоды находят применение в высоковольтных приборах, в лампах большой долговечности и в приборах разборной конструкции. Благодаря стабильности параметров расчет геометрии вольфрамового катода может быть выполнен с высокой точностью.
Поскольку длина нити катода
всегда много больше диаметра, рассматривают в первую очередь вариант так
называемого идеального катода – катода, имеющего по всей длине
одинаковую температуру. В условиях теплового баланса вся подводимая к такому
катоду мощность отводится только излучением: Pfi = wизлπdкLк,
где wизл = εкσTк4 – удельная мощность излучения
катода, σ = 5,7·10-12 Вт/(см2·К4) – постоянная
Стефана–Больцмана, εк – коэффициент излучения вольфрама, Tк – температура катода в кельвинах; dк и Lк –
диаметр и длина нити катода. Ток эмиссии идеального катода Isi = jsπdкLк, где js=ATк2exp[-eφк/(kTк)] – плотность тока эмиссии, A – ричардсоновская постоянная, eφк – работа
выхода вольфрама, k =1,38·10-23 Дж/К
– постоянная Больцмана. Сопротивление нити Rкi = 4ρкLк/(πdк2),
где ρк – удельное сопротивление вольфрама
при заданной температуре. Поскольку мощность накала Pfi = Ufi2/
Rкi
, несложно получить, что Ufi
=
(Lк
/dк1/2).
Для удобства расчета введено понятие «единичный» катод – катод, у которого длина и диаметр равны 1 см. Были составлены подробные таблицы параметров «единичного» катода (P’f, I’s, R’к, U’f) для вольфрама при различной температуре (табл.1). С использованием понятий о «единичном» катоде соответствующие расчетные формулы принимают вид: Pfi = P’f dкLк, Isi = I’sdкLк, Rкi = R’кLк/dк2, Ufi = U’fLкdк-1/2.
Срок службы вольфрамового катода ограничен, поскольку в результате испарения материала уменьшается диаметр нити, а следовательно падает эмиссия, так как из-за увеличения сопротивления снижается температура нити. Кроме того, при длительной работе происходит рекристаллизация вольфрама и, как следствие, повышается вероятность перегорания катода. В этих условиях срок службы t =Aк(dк/M’), где M’ – скорость испарения «единичного» катода, Aк – параметр, определяемый условиями эксплуатации катода и критерием предельного состояния. Критерием предельного состояния катода является снижение тока эмиссии до величины, определяемой выбранным значением коэффициента запаса по току эмиссии b. Так, в частности, при b = 0,5 параметр Aк = 6,91×10- 4, при b = 0,8 параметр Aк = 1,57×10- 4.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.