Штыревой катод сварочной электронной пушки

Авторы патента:

H01J1/20 - Электрические газоразрядные и вакуумные электронные приборы и газоразрядные осветительные лампы (искровые разрядники H01T; дуговые лампы с расходуемыми электродами H05B; ускорители элементарных частиц H05H)

Владельцы патента RU 2457570:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ - ВНИИЭФ" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" (RU)

Изобретение предназначено для использования в электронных сварочных пушках и других электронно-лучевых приборах. Технический результат - уменьшение тепловых потерь и расходуемой на разогрев катода мощности, увеличение срока службы катода за счет более медленного испарения рабочей части катода при электронной бомбардировке ее меньшей мощностью, а также уменьшение в несколько раз массы тантала, расходуемой на изготовление катода. В штыревом катоде сварочной электронной пушки, представляющем собой стержень с конической шляпкой, стержень выполнен составным из материалов с разными коэффициентами теплопроводности, при этом коэффициент теплопроводности части стержня, являющейся рабочей, превышает коэффициент теплопроводности части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла. Рабочая часть катода выполнена из тантала. Коэффициент теплопроводности материала части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, в 3-4 раза меньше коэффициента теплопроводности тантала. Рабочая часть катода присоединена к части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, через переходную трубку, выполненную из материала, температура плавления которого, по крайней мере, на 400°С выше рабочей температуры катода. Между частью стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, и переходной трубкой введена промежуточная деталь в виде кольца или короткого стержня из материала, температура плавления которого выше рабочей температуры катода. 5 з.п. ф-лы., 1 ил., 1 табл.

Изобретение предназначено для использования в электронных сварочных пушках и других электронно-лучевых приборах.

Известен штыревой катод с электронным подогревом (Чвертко А.И. и др. Оборудование для электроннолучевой сварки. Киев: Наукова думка, 1973, стр.94-97).

Известен также катодный узел электронной пушки (АС №186035; МПК H01J 01/20; опубл. в бюл. №18 от 12.09.1966 г.), в состав которого входит катод, выполненный в виде стержня с конической шляпкой. Эмиссия электронов осуществляется с торцевой поверхности шляпки, а коническая поверхность шляпки и примыкающая к ней часть стержня служат для разогрева шляпки катода путем ее бомбардировки электронами со вспомогательного прямонакального катода (источника электронов для нагрева катода-нагревателя). Для крепления к элементам катодного узла стержень катода имеет массивную цилиндрическую часть, изготовленную из того же материала (тантала), что и рабочая часть катода (коническая шляпка). Средняя часть стержня изготовлена длинной и тонкой для уменьшения теплоотвода от рабочей части катода (конической шляпки).

Недостатками известных катодов являются:

- большой теплоотвод от рабочей части катода, что приводит к излишнему перегреву катодного узла и излишним затратам мощности, расходуемой на этот перегрев;

- небольшой срок службы катода из-за ускоренного испарения конической шляпки и примыкающей к ней части стержня при электронной бомбардировке большой мощностью;

- большой расход дорогостоящего тантала.

Задачей изобретения является уменьшение тепловых потерь и расходуемой на разогрев катода мощности, увеличение срока службы катода за счет более медленного испарения рабочей части катода (конической шляпки и примыкающей к ней части стержня) при электронной бомбардировке ее меньшей мощностью, а также уменьшение в несколько раз массы тантала, расходуемой на изготовление катода.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, следующий:

- уменьшение нагрева катодного узла (уменьшение тепловых потерь);

- уменьшение расхода мощности;

- увеличение срока службы катода;

- уменьшение расхода тантала при изготовлении катода.

Технический результат достигается тем, что в данном штыревом катоде сварочной электронной пушки, представляющем собой стержень с конической шляпкой, стержень выполнен составным из материалов с разными коэффициентами теплопроводности, при этом коэффициент теплопроводности части стержня, являющейся рабочей, превышает коэффициент теплопроводности части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла. Часть стержня, служащая для крепления катода к элементам катодного узла, выполнена в виде трубки. Рабочая часть катода выполнена из тантала. Коэффициент теплопроводности материала части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, в 3-4 раза меньше коэффициента теплопроводности тантала. Рабочая часть катода присоединена к части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, через переходную трубку, выполненную из материала, температура плавления которого, по крайней мере, на 400°С выше рабочей температуры катода. Между частью стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, и переходной трубкой введена промежуточная деталь в виде кольца или короткого стержня из материала, температура плавления которого выше рабочей температуры катода.

В предлагаемом изобретении из тантала изготавливают только рабочую часть катода, а именно коническую шляпку и небольшую часть стержня. Крепят рабочую часть катода к элементам катодного узла через трубку (часть стержня), изготовленную из электропроводящего механически прочного термостойкого материала, имеющего как можно более низкий коэффициент теплопроводности. Всем этим требованиям, кроме одного, удовлетворяют, например, такие материалы, как гафний, цирконий, титан и многие другие. Однако все они имеют температуру плавления ниже 2500°С - температуру, до которой нагревается рабочая часть катода. Поэтому присоединять трубку из выбранного материала, например циркония, непосредственно к рабочей части катода невозможно, так как в месте соединения она расплавится. Для выхода из этого положения к рабочей части катода присоединяется переходная трубка из материала, температура плавления которого с запасом превышает 2500°С, например из тантала, а к ней присоединяется трубка из выбранного материала, например из циркония.

Для удобства соединения трубок друг с другом с помощью, например, точечной контактной сварки, а также с целью многократного использования части катода, которая в процессе работы не изнашивается (остается неизменной), между трубками вводят промежуточную деталь в виде кольца или короткого стержня из термостойкого материала, например тантала.

На фиг.1 изображены катоды, где 1 - рабочая часть катода; 2 - переходная трубка из материала, температура плавления которого выше 2500°С; 3 - трубка из материала с низким коэффициентом теплопроводности (в 3-4 раза меньше коэффициента теплопроводности тантала), являющаяся частью стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла; 4 - переходное кольцо.

После уменьшения конической шляпки в процессе работы до недопустимых размеров вследствие неблагоприятных условий работы при сварке, а также вследствие электронной бомбардировки при разогреве катод вынимают из катодного узла, отделяют сносившуюся часть катода 1 путем разрушения трубки 2, удаляют остатки трубки 2 с поверхности переходной детали 4 и присоединяют новую часть катода 1 через новую трубку 2 к старой детали 4 с помощью, например, точечной контактной сварки. Таким образом, части катода 3 и 4 могут использоваться многократно.

Для решения поставленной задачи центральную часть стержня выполняют в виде трубки. Трубку изготавливают из термостойкого материала, имеющего небольшую теплопроводность (в 3-4 раза меньше теплопроводности тантала), что обеспечивает исключение перегрева катодного узла и делает его более долговечным. Данный вариант катодного узла позволяет уменьшить количество используемого материала (тантала), который является достаточно дорогостоящим.

Пример конкретного исполнения.

Для испытаний был использован катод по варианту исполнения с переходной деталью 4. Часть катода 1 была изготовлена из тантала, диаметр шляпки - 3 мм, диаметр стержня - 1,5 мм, высота - 4 мм. Трубка 2 высотой 5 мм была изготовлена из танталовой фольги толщиной 0,05 мм. Переходная деталь 4 была изготовлена из тантала в виде стержня диаметром 1,5 мм и высотой 3 мм. Трубка 3 высотой 14 мм была изготовлена из титановой фольги толщиной 0,05 мм. Все детали были соединены в соответствии с фиг.1 с помощью точечной контактной сварки.

Испытания производили на действующей электронно-лучевой установке. Определялась зависимость тока эмиссии от мощности электронной бомбардировки изготовленного катода и катода-прототипа, при этом катоды работали в совершенно идентичных условиях.

Данные измерений сведены в таблицу 1.

Из экспериментальных данных следует, что расход мощности при использовании предлагаемого катода по сравнению с известным уменьшился.

Таблица 1
I_э (mA) (ток эмиссии катодов)	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Р_б.1 (Вт) (мощность бомбардировки катода-прототипа)	36,8	39,5	41,8	43,2	44,6	45,6	46,6	47,1	48	49,2
Р_б.2 (Вт) (мощность бомбардировки изготовленного катода)	31,2	32,6	34,5	37,2	37,6	39,4	40,8	41,3	41,9	42,4

Для определения экономии тантала были взвешены известный катод, изготовленный из тантала и частей предлагаемого катода, изготовленных из тантала. Масса известного катода, изготовленного из тантала, - 2,457 г. Масса частей, изготовленных из тантала предлагаемого катода, - 0,231 г. Экономия тантала более чем в 10 раз.

1. Штыревой катод сварочной электронной пушки, представляющий собой стержень с конической шляпкой, отличающийся тем, что стержень выполнен составным из материалов с разными коэффициентами теплопроводности, при этом коэффициент теплопроводности части стержня, являющейся рабочей, превышает коэффициент теплопроводности части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла.

2. Штыревой катод сварочной электронной пушки по п.1, отличающийся тем, что рабочая часть катода выполнена из тантала.

3. Штыревой катод сварочной электронной пушки по п.2, отличающийся тем, что коэффициент теплопроводности материала части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, в 3-4 раза меньше коэффициента теплопроводности тантала.

4. Штыревой катод сварочной электронной пушки по п.1, отличающийся тем, что рабочая часть катода присоединена к части стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, через переходную трубку, выполненную из материала, температура плавления которого, по крайней мере, на 400°С выше рабочей температуры катода.

5. Штыревой катод сварочной электронной пушки по п.4, отличающийся тем, что часть стержня, служащая для крепления катода к элементам катодного узла, выполнена в виде трубки.

6. Штыревой катод сварочной электронной пушки по п.5, отличающийся тем, что между частью стержня, служащей для крепления катода к элементам катодного узла, и переходной трубкой введена промежуточная деталь в виде кольца или короткого стержня из материала, температура плавления которого выше рабочей температуры катода.

Похожие патенты:

Фотокатод // 2454750

Изобретение относится к области электровакуумной электронной техники. .

Шихта для композиционного катода и способ его изготовления // 2454474

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных катодов для ионно-плазменного напыления многокомпонентных наноструктурных покрытий.

Способ изготовления высоковольтного электрода // 2452055

Изобретение относится к электротехнике, а именно к изготовлению электродов к аппаратам, предназначенным для исследования явления свечения у объектов в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности.

Катодно-подогревательный узел // 2446503

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройству источника электронов, и может быть использовано в ускорителях электронов, ускоренный пучок которых используется для радиационных технологий, таких как очистка сточных вод, очистка газов электростанций, работающих на угле, в линейных ускорителях, используемых для рентгеновской диагностики в медицинских целях, и в др.

Экран // 2439638

Изобретение относится к области эргономики, а именно к конструкциям оптических экранов. .

Плазменный катод // 2438208

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к широкому классу плазменных двигателей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды.

Углеродсодержащий наноматериал с низким порогом полевой эмиссии электронов и способ его получения (варианты) // 2431900

Изобретение относится к углеродсодержащим наноматериалам с низким порогом полевой эмиссии электронов (НППЭЭ). .

Способ изготовления композиционного катода // 2421844

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения композиционных катодов для ионно-плазменного напыления многокомпонентных наноструктурных нитридных покрытий и может быть использовано в химической, станкоинструментальной промышленности, машиностроении, металлургии для получения наноструктурных покрытий методом ионно-плазменного напыления.

Устройство для эмиссии электронов и панель для создания изображения с использованием этого устройства, а также устройство для создания изображения и устройство для отображения информации // 2421843

Изобретение относится к устройству для эмиссии электронов, по типу относящемуся к устройствам с эмиссией под действием электрического поля. .

Способ изготовления полого холодного катода газового лазера // 2419913

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при производстве газоразрядных приборов, в частности холодных катодов моноблочных газовых лазеров.

Металлопористый катод и способ его изготовления // 2459305

Изобретение относится к электронной технике, а именно к металлопористым катодам электронных приборов СВЧ-типа и способам изготовления их катодов

Материал эмиссионного покрытия катодов электронно-ионных приборов // 2462781

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве газоразрядных источников света высокого давления

Способ получения материала для автоэмиссионного катода // 2463253

Изобретение относится к области электроники и нанотехнологии, в частности к способу создания материала для высокоэффективных автоэмиссионных катодов на основе углеродных нанотруб, которые могут найти применение в дисплеях, панельных лампах, ионизаторах, рентгеновских источниках и других областях техники

Способ обработки электронно-полевых катодов // 2468462

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу обработки поверхности электронно-полевых катодов, изготовленных из углеродных наноматериалов, которые могут использоваться для производства дисплеев, осветительных элементов, радиочастотных усилителей, в рентгеновских установках, ионизаторов газовых сред, измерителей вакуума

Способ повышения деградационной стойкости сильноточных многоострийных автоэмиссионных катодов // 2474909

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных углеродных структур

Получение однородности газового разряда // 2474910

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технике газоразрядных приборов

Способ изготовления матрицы многоострийного автоэмиссионного катода на монокристаллическом кремнии // 2484548

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных углеродных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния

Гетеропереходная структура // 2497222

Изобретение может найти применение в качестве приборной структуры для твердотельных автоэмиссионных диодов и эмитирующих электроны активных элементов функциональных узлов как в твердотельной электронике, так и в вакуумной эмиссионной электронике, в том числе в силовой СВЧ электронике. Гетеропереходная структура согласно изобретению состоит из полупроводниковых слоев n- и p-типа проводимости, расположенных последовательно на подложке n-типа, гомогенной прилежащему к ней полупроводниковому слою n-типа и имеющей омический контакт к тыльной стороне, при этом на поверхности n-слоя со стороны n-p гетерограницы расположен массив из наноструктурированных объектов, p-слой выполнен в виде алмазной пленки, толщина которой не превышает диффузионную длину электронов, а концентрация акцепторов в нем находится в диапазоне 1020-1024 м-3. Изобретение обеспечивает возможность значительного увеличения рабочих токов автокатода, либо автоэмиссионных диодов, повышения стойкости устройств к деградации и увеличения их рабочего ресурса. 5 з.п. ф-лы, 1 пр., 6 ил.

Автоэмиссионный катод // 2504858

Изобретение относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к источникам для получения электронного потока - автоэмиттерам (холодным эмиттерам) электронов, материалам и способам их изготовления. Подобные катоды могут использоваться в качестве источников электронов в различных электронных приборах - электронных микроскопах, рентгеновских трубках, усилительных и генераторных приборах СВЧ электроники, источниках света и т.п. Технический результат изобретения - получение стабильного автоэмиссионного катода с высокой удельной проводимостью, плотностью автоэмиссионного тока до 20 мА/см2. Результат достигнут использованием в автоэмиссионном катоде объемного композитного материала, содержащего частицы металла, окруженные наноструктурированным углеродным материалом (углеродные или углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены и им подобные материалы). При этом металл обеспечивает низкое удельное сопротивление, высокую теплопроводность и механическую прочность, а наноуглеродный материал - высокие эмиссионные свойства катода. Для повышения эффективности автоэлектронной эмиссии при изготовлении катода применены: дополнительная механическая обработка с удалением поверхностного слоя катода и последующей шлифовкой, химическое и плазменное травление рабочей поверхности. Полученный катод обеспечивает плотность автоэмиссионного тока на уровне 10-20 мА/см2 с высокой стабильностью и однородностью. 4 ил.

Трехмерно-структурированная полупроводниковая подложка для автоэмиссионного катода, способ ее получения и автоэмиссионный катод // 2524353

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно, к способу получения трехмерно-структурированной полупроводниковой подложки для автоэмиссионного катода, и может быть использовано в различных электронных приборах: СВЧ, рентгеновских трубках, источниках света, компенсаторах заряда ионных пучков и т.п. Создание трехмерно-структурированной полупроводниковой подложки, на которую наносят эмитирующую пленку автоэмиссионных катодов в виде микроострийной квазирегулярной ячеисто-пичковой структуры с аспектным отношением не менее 2 (отношение высоты острий к их высоте), позволяет повысить эмиссионную характеристику катодов, что является техническим результатом заявленного изобретения. Полупроводниковую подложку для формирования на ней требуемой микроострийной структуры подвергают фотоэлектрохимическому травлению в водном или безводном электролите, меняя режимы травления и интенсивность подсветки. Предложена также структурированная полупроводниковая подложка для автоэмиссионного катода из кристаллического кремния р-типа с проводимостью от 1 до 8 Ом*см и сам автоэмиссионный катод с такой подложкой, обладающий повышенными эмиссионными характеристиками. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.