Расчет и проектирование электронных приборов: Учебное пособие, страница 6

Расчетные соотношения, составленные для идеального катода, рассматриваются как исходные для разработки методики расчета реального катода. Проектирование реального катода выполняется с учетом наличия охлажденных участков в области закрепления нити на электрических выводах и дополнительных крепежных элементах. С этой целью было введено понятие коэффициента идеальности  катода – величины, равной отношению тока эмиссии реального катода I_s к току эмиссии идеального катода I_si при той же температуре f = I_s/I_si.

Исходными данными к расчету катода являются: U_f – напряжение накала, t – срок службы и I_s – ток эмиссии (в случае катода из нескольких параллельно включенных нитей  ток эмиссии одной I_s1 = I_s/N) .

Применительно к выбранному варианту конструкции определяется количество охлажденных концов каждой нити n. В случае катода стержневой конструкции n = 3 для каждой катодной нити. В случае спиральной и чулочной – n = 2. Для бифилярной –  n = 3. Для каждой нити катода в виде N_п V-образных петель n = 2 + (2 N_п– 1)/2.

 Таблица 1

Параметры «единичного» катода  в зависимости от температуры

Tк,К	Pf’, Вт	Uf’, В	Is’, А	M’, г/с	Hк, мА/Вт	ΔUf, В	ΔUs, В
2300	148,2	0,1124	0,128	2,45·10-10	0,86	0,225	0,855
2400	181,2	0,1275	0,364	1,37·10-9	2,01	0,237	0,890
2500	219,3	0,1436	0,935	6,36·10-9	4,26	0,248	0,930
2600	263,0	0,1611	2,25	2,76·10-8	8,56	0,259	0,970
2700	312,7	0,1797	5,12	9,95·10-8	16,37	0,269	1,010
2800	368,9	0,1995	11,11	3,51·10-7	30,12	0,280	1,050

Расчет длины L_к и диаметра d_к выполняется графоаналитическим методом. С этой целью вначале составляется таблица расчетных значений коэффициента идеальности , вспомогательных параметров   и , диаметра d_к= (b/a)^2/3 , длины нити   L_к= b/d_к, срока службы t =A_к(d_k/M^/) и эффективности H_к для шести значений температуры в диапазоне от 2300 К до 2800 К (табл.2). (В формулах для коэффициента идеальности и параметра a ΔU_f и  ΔU_s – поправки на охлажденные концы по напряжению накала и по току эмиссии, выраженные в единицах напряжения.)

Таблица 2

К расчету геометрии вольфрамового катода

T, К			b	dк, см	Lк, см	t, ч	Hк, А/Вт
2300 …… 2800	……………….…..	…………….	…..	……	…..	……	..

По найденным расчетным путем d_к , L_к, t и H_к  строятся графики зависимости этих величин от температуры T. Затем по графику t = f(T) находят температуру катода T_к при заданном сроке службы, а затем по найденной температуре T_к – соответствующие значения d_к , L_к и H_к.

3.1.2.  Расчет катода из карбидированного торированного вольфрама

Катод из карбидированного торированного вольфрама имеет меньшую рабочую температуру и более высокую эффективность, чем вольфрамовый. Поэтому в тех случаях, когда по условиям эксплуатации допускается применение прямонакального катода, карбидированный торированный вольфрам почти полностью вытеснил катод из чистого вольфрама.

Высокие эмиссионные свойства обеспечиваются наличием моноатомной пленки, образующейся при прогреве вольфрамовой проволоки с присадкой из окиси тория. В непрерывном режиме работы, а также в импульсном режиме, когда длительность импульсов более 10 мкс, катод из карбидированного торированного вольфрама обеспечивает более высокую плотность тока эмиссии, чем оксидный.

Недостатками катода из карбидированного торированного вольфрама являются: невысокая устойчивость к ионной бомбардировке и подверженность отравляющему воздействию активных газов. По сравнению с подогревным оксидным катодом, катоды из карбидированного торированного вольфрама обладают более низкой вибропрочностью и более высокой рабочей температурой.

Невысокая стабильность эмиссионных свойств делает бессмысленными поиски точных методов расчета геометрии катода из карбидированного торированного вольфрама. Ограничиваются соотношениями, выведенными исходя из предположения о равномерном распределении температуры вдоль нити катода (идеальный катод).

Как и в случае вольфрамового катода, предварительно выбираются вариант конструктивного исполнения и количество параллельно включенных нитей N. Ток эмиссии с одной нити I_s1 = I_s/N.

При проектировании импульсной модуляторной лампы с катодом из карбидированного торированного вольфрама ток эмиссии рассчитывается по формуле I_s = I_aи/b, где b – коэффициент запаса по току эмиссии, который выбирается в пределах 0,5 ...0,8.

Оптимальные условия формирования эмиссионных свойств карбидированного торированного вольфрама обеспечиваются при температуре 2000 К.  Мощность  накала  «единичного»  катода при этой температуре   P’_f = 91,6 Вт.  Сопротивление «единичного» катода R’_к зависит от степени карбидирования (табл. 3).

Задавшись эффективностью катода (она зависит от особенностей технологического  режима  производства  и  условий  эксплуатации )        H_к = 0,04...0,07 А/Вт, а также процентом карбидирования, находят сопротивление «единичного»  катода, после чего определяют длину

                                                (28)

и диаметр

                                                 (29)

каждой нити.

Таблица 3

Сопротивление «единичного» катода из карбидированного торированного вольфрама

Карбидирование,  %	10	20	30	40	50
R’к ·106, Ом	77,8	82,5	88,0	94,1	101,0