WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
Министерство образования Российской Федерации Ивановский государственный химико-технологический университет Т. Г. Ш ИКОВА ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Учебное пособие для практических занятий и самостоятельной работы студентов Иваново 2003 УДК 621.385 Ш икова Т.Г. Технология и оборудование производства изделий электронной техники: Учебное пособие для практических занятий и самостоятельной работы студентов / Иван. гос. хим.-технол. ун-т.- Иваново, 2003.- 68 с. ISBN 5-230-01590-X.

В учебном пособии рассмотрены в сравнении различные термоэмиссионные катоды, области их использования и способы приближенного расчета. На примере отдельных электронных приборов показан подход к составлению технологических схем и анализу технологии изготовления. В каждом разделе приведены задания для самостоятельной работы студентов. В приложениях представлены справочные данные по свойствам различных материалов, используемых в электровакуумной технологии, необходимые для выполнения самостоятельных заданий.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 251000 – "Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники".

Табл. 14. Ил. 15. Библиогр.: 12 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Ивановского государственного химико-технологического университета Рецензенты: отдел плазмохимического оборудования и технологии Научно-исследовательского экспериментально-конструкторского машиностроительного института; доктор технических наук В.К. Семенов (Ивановский государственный энергетический университет) ISBN 5-230-01590-X © Ивановский государственный химикотехнологический университет, 2003 1. РАСЧЕТ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ КАТОДОВ 1.1. Типы и свойства накаленных катодов. Области применения Термокатоды, являющиеся источником электронов, в большинстве элктровакуумных приборов (ЭВП) можно разделить на три группы:

1) катоды из чистых металлов;

2) пленочные катоды;

3) полупроводниковые (оксидные) катоды, у которых эмитирующая поверхность представляет электронный полупроводник.

Из чистых металлов основное применение имеет вольфрамовый катод; в отдельных случаях применяют танталовые или ниобиевые катоды.

К пленочным катодам относятся торированный и барированный вольфрам. В них работа выхода вольфрама снижается образованием поверхностной пленки атомов тория или бария на поверхности вольфрама.

Основным видом полупроводникового катода является оксиднобариевый катод, называемый оксидным.

Наибольшее распространение получили четыре типа катодов:

вольфрамовый, торированный карбидированный вольфрам, барированный вольфрам (L-катод) и оксидный.

На рис. 1 показаны сравнительные характеристики перечисленных катодов. Вертикальная пунктирная прямая в каждом случае указывает приблизительную максимальную температуру, при которой долговечность работы прибора будет несколько сотен часов.

Из рисунка видно, что в импульсном режиме максимальная плотность тока эмиссии, которую можно получить с вольфрамового катода, не превышает 1 А/см2, с торированного вольфрама удается снимать до 2 А/см2, с барированного вольфрама выше 100 А/см2, с оксидного - около 50 А/см2.

Для того чтобы нагреть вольфрамовый катод до рабочих температур 2100-23000С, при которых он дает плотность тока эмиссии от 0,1 до 0,8 А/см2, нужно затратить удельную мощность 50-90 Вт/см2.

В результате экономичность вольфрамового катода при 21000С оказывается 2 мА/Вт, а при 24000С около 10 мА/Вт, но при этой температуре начинается заметное испарение вольфрама и долговечность катода не превышает нескольких сот часов. Температуру в 24000С следует считать уже форсированным режимом работы.

js, А/cм10 10 Оксидный W-Ba W-Th 10 -1 W 10 -10 -0 400 800 1200 1600 2000 T,° °С ° ° Рис. 1. Сравнительные эмиссионные характеристики разных катодов Максимальная рабочая температура карбидированного W-Th катода - около 17000С. Для достижения такой температуры ему надо сообщить удельную мощность накала около 20 Вт/см2. Экономичность катода в импульсном режиме достигает 50 - 70 мА/Вт. При длительной работе несколько нарушается атомный слой тория, и можно рассчитывать только на меньшую экономичность, примерно 20 мА/Вт.

Вольфрамовый катод с поверхностной пленкой бария имеет максимальную рабочую температуру около 13500С, но при этом барий интенсивно испаряется с его поверхности. При температуре катода 1000 - 12000С и удельной мощности накала 6 - 10 Вт/см2 можно в течение длительного времени получать ток эмиссии от 1 до 15 А/см2. Его экономичность при этом составляет 100 - 1000 мА/Вт.

Область рабочих температур оксидного катода заключена между и 9000С. Для его нагревания расходуется удельная мощность 2 - 3 Вт/см2. В импульсных режимах работы его экономичность может достигать 1000 - 10000 мА/Вт. В статическом режиме для увеличения долговечности лампы снижают снимаемый с катода электронный ток в 100 - 1000 раз, и рабочая экономичность колеблется от 10 до 40 мА/Вт.

В мощных генераторных приборах, рентгеновских трубках и других приборах, работающих при высоких анодных напряжениях, до сих пор еще продолжают использовать наименее экономичный вольфрамовый катод, так как он наиболее устойчив к бомбардировке ионами остаточного газа.

Кроме того, в генераторных приборах нежелательно испарение бария из катода. Управляющая сетка имеет высокую температуру, и при напылении на нее бария термоток сетки становится слишком большим. Значение имеет также рост вторичной эмиссии сеток при напылении на них атомов бария или тория. Все это сильно затрудняет использование оксидного и WTh катодов. Только в некоторых случаях изготовления мощных генераторных приборов удается катод из чистого вольфрама заменить карбидированным W-Th или ториево - оксидными катодами. В генераторных приборах средней мощности широко применяются катоды из карбидированного торированного вольфрама.



В приемно-усилительных, газоразрядных, телевизионных и многих других специальных приборах используют различные варианты оксидного катода. Этот катод имеет низкую рабочую температуру и высокую экономичность. Его недостаток - высокая чувствительность к кислороду и другим газам. В процессе работы катода наблюдается падение его эмиссии.

При длительной работе с него нельзя отбирать больших плотностей электронного тока. В ряде случаев оксидный катод заменяют катодом из барированного вольфрама, который обладает большой механической прочностью, долговечностью, высокой эмиссионной способностью, стойкостью к отравлению и низкими шумовыми характеристиками. Он уступает оксидному катоду в отношении экономичности в импульсном режиме, но является особенно ценным, когда с небольшой поверхности плоского катода (например, в телевизионных приборах, клистронах и др.) надо снимать большие токи.

1.2. Характеристики термоэлектронного катода При изучении свойств и эксплуатации термоэлектронных катодов оперируют следующими параметрами:

1) рабочая температура катода (Траб) – температура, при которой обеспечиваются все другие параметры катода;

2) удельная эмиссия – величина тока удельной эмиссии с 1 см2 поверхности катода. Определяется температурой и работой выхода электрона эмитирующего вещества;

3) удельная мощность накала – величина мощности накала, приходящаяся на 1 см2 поверхности. Является характеристикой потребления тепловой энергии катодом;

4) ток насыщения (Iнас) – наибольший ток, эмитируемый металлическим катодом при рабочей температуре;

5) эффективность катода () – отношение тока эмиссии (насыщения) к мощности накала катода ( = Iнас / Рн);

6) долговечность катода () - определяется довольно произвольно, например в одном случае как уменьшение Iнас на X %, в другом - как разрушение эмитирующего катода (прямого накала).

Между некоторыми из этих величин существуют определенные соотношения.

WS kT Iнас = FAT e 1. - уравнение Ричардсона – Дешмана, где F - поверхность катода, см2;

Ws - работа выхода, эВ;

А - термоэлектронная константа, Асм-2град-2.

WS -WS kT Iнас FAT e A -kT = = = T e 2. - при допущении, что вся Pн FtT t тепловая энергия, подаваемая на катод, расходуется на излучение.

- зависит от природы металла и температуры;

t- полная излучательная способность вещества;

- постоянная Стефана - Больцмана, Вт Вт = 5,67 10-8 = 5,67 10-12.

м2 К4 cм2 К3. Долговечность катода тесно связана с процессом испарения активного вещества. Между долговечностью катода и его температурой Т существует определенное соотношение: =ае-вТ, где а и в положительные константы.

Долговечность катода экспоненциально уменьшается с возрастанием температуры.

1.3. Расчет вольфрамовых катодов Экспериментально установлено, что вольфрамовая нить разрушается, когда она в процессе работы теряет в своем весе в среднем 10%.

Обозначим через µ скорость испарения нити в граммах в секунду (дается в таблицах), а через m - начальный вес нити.

Между средней долговечностью и только что упомянутыми параметрами имеется, следовательно, соотношение:

µ = 0,1m, 0,1d l откуда =, 4µ где d - диаметр нити;

l - длина нити;

- плотность металла.

Так как скорость испарения µ пропорциональна поверхности F=dl нити, = d, откуда следует, что при одинаковых температурах (или, иначе, при одинаковых скоростях испарения с единицы поверхности) долговечность нити пропорциональна ее диаметру. Наоборот, при одной и той же долговечности более толстая нить может работать при более высокой температуре и, следовательно, термоэлектронные катоды из более толстой проволоки обладают большей эффективностью.

Вольфрамовую нить можно рассчитать, используя уравнение Дешмана - Ричардсона, но значительно быстрее это делать с помощью таблиц Джонсона и Ленгмюра, в которых представлены различные данные, относящиеся к единичной нити (имеющей диаметр 1 см и длину 1 см).

Потерями на теплопроводность и конвекцию пренебрегают (прил.1).

В таблице также приведены формулы соответствия, позволяющие рассчитать ту же величину для нити любых размеров.

Примеры расчета 1. Рассчитать характеристики вольфрамовой нити диаметром 0,1 мм и длиной 10 мм, работающей при температуре 24000 К.

Согласно таблице единичная нить диаметром 1 мм и длиной 1 см, работающая при температуре 24000 К, имеет следующие характеристики:

мощность накала, Р/ 181,2 Вт н ток накала, I/ 1422 А н напряжение накала, U/ 0,127 В н ток насыщения, Iнас/ 0,364 А скорость испарения, µ 1,37·10-9 г/смТе же характеристики, относящиеся к реальной нити, работающей при той же температуре, определяются формулами, приведенными в третьей горизонтальной графе таблицы.

Рн = Рн/ld = 181,2100,01 = 18,12 Вт;

Iнас = Iнас/ld = 0,364100,01 = 36,4 мА;

µ = µ/ld = 1,3710-9100,01 = 1,3710-10 г/ сек;

3000 ч.

2. Вольфрамовый катод длиной 5 см и диаметром 0,16 мм имеет ток насыщения 15 мА. Какова его температура Решим задачу исходя из уравнения Дешмана - Ричардсона и для определения по нему температуры Т используем метод последовательных приближений:





F = dl = 3,140,0165 = 0,25 см2.

WS KT Так как Iнас= FAT2e, где А = 60 Асм-2град-2 и WS = 4,52 эВ.

Имеем 0,015 = 0,2560Т2e-(4,5211600)/Т, возьмем натуральный логарифм:

ln 0,015 = ln 15 + 2lnT – 52406/T;

52406 / Т = 2lnT + 6,91;

Т = 52406/ (2ln T + 6,91).

Для определения из этого уравнения величины Т дадим второму члену в знаменателе какое-нибудь значение, лишь бы оно было допустимого порядка. Например, Т = 2500 К.

Тогда Т = 52406 / (27,82 + 6,91) = 2324 К.

Испробуем это новое значение:

Т = 52406 / (27,75 + 6,91) = 2338 К.

Новое опробование дает:

Т = 52406 / (27,76 + 6,91) = 2337 К.

Это и есть искомый результат, так как два последовательных приближения дают очень близкие значения.

Решить эту задачу, пользуясь таблицей Джонса и Ленгмюра.

Iнас/ = Iнас/ld;

Iнас/ = (1510-3) / (51610-3) = 0,1875 А/см2.

По таблице находим Т 2330 К.

1.4. Приближенный расчет и проектирование оксидных катодов Величина эмиссии оксидного катода может колебаться в широких пределах в зависимости от данных керна и подогревателя, оксидного слоя, активирования и режимов использования. В табл.1 приведены соотношения между некоторыми характеристиками оксидных катодов, используемых в различных приборах.

Проектирование катодов заключается в расчёте геометрических размеров керна и (или) подогревателя. Исходными данными могут являться типы ламп, среднее значение анодного тока и другие характеристики. Возможно также и решение обратной задачи.

Таблица Средняя Допустимая Удельная рабочая плотность Род катода Типы ламп мощность, температура, тока, рf, Вт / смТо С jо, мА /смУсилительные для выходных каскадов:

старые 1100 и выше 2,7 – 3,2 3 – Подогревный катод с новые 950 – 1050 2,0 – 2,7 5 – никелевым Выходные 1050 – 1150 2,0 – 2,5 20 – керном Генераторные 1050 – 1150 2,0 – 3,6 25 – Выпрямительные 1100 – 1200 2,2 – 3,5 50 – Малогабаритные 2,5 – 4,0 10 – Катод прямого Входные 950 – 1100 1,5 – 2,3 20 – накала с вольфрамовым или Выходные 1100 – 1200 2,0 – 3,0 60 – никелевым керном Выпрямительные 1100 – 1200 2,7 – 3,3 50 – 1. Катоды косвенного накала представляют собой металлические цилиндры, покрытые эмиссионным слоем оксидов и нагреваемые изнутри электрически изолированной нитью, спиралью (подогревателем ).

Существует компромисс между простой геометрической формой катода и рабочими характеристиками лампы.

Катоды круглого сечения наиболее легки в изготовлении; они применяются главным образом с анодами круглого сечения в выпрямительных лампах или с овальными сетками в триодах и пентодах с нормальными характеристиками.

Для мощных низкочастотных усилительных ламп применяются катоды овального сечения с овальными сетками.

Наконец в лампах с улучшенными характеристиками применяются катоды прямоугольного сечения, допускающие более точное определение расстояния сетка – катод.

У всех этих катодов эмиссионное оксидное покрытие наносится на наружную боковую поверхность цилиндра.

Применяются катоды и другой формы. В частности, катоды для ЭЛТ представляют собой короткий цилиндр, закрытый с одного из концов колпачком, на который и наносится оксидное покрытие.

Если исходными данными для расчета являются среднее значение анодного тока I0 и тип лампы, в которой используется катод, можно приблизительно установить величину активной (т.е. покрытой оксидом) поверхности катода F. Для этого, используя табл. 1, необходимо задаться величиной допустимой плотности тока jо. Тогда F = I0/jо. При расчете необходимо учитывать, что излучение поверхности, не покрытой оксидом, в 2 раза меньше, чем для поверхности, покрытой оксидом. Тогда вся мощность катода составит:

Pf = (F + 0,5F/) pf, где F – площадь, покрытая оксидом; F/ - площадь, не покрытая оксидом.

Если в исходных данных не приводится соотношение этих площадей, то можно принять F/ 15 – 20% от F.

При расчетах катода косвенного накала необходимо помнить, что его нагрев осуществляется подогревателем. Поэтому характеристики катода будут также определяться свойствами материала подогревателя (табл. 2).

В качестве материала для подогревателей используют в настоящее время W и его сплавы с молибденом (50% W и 80% Мо). Применение этих сплавов имеет то преимущество по сравнению с чистым вольфрамом, что облегчает процесс изготовления подогревателей, снижает их хрупкость, и они оказываются более механически прочными при высоких температурах.

Зная мощность катода Рf можно найти величину удельной мощности подогревателя pп. Если ln и dn – длина и диаметр подогревателя, то f pп = Pf / (dnln).

f Величина удельной мощности подогревателя определяет его температуру. Диапазон значений рабочих температур подогревателей лежит примерно в пределах от 1300К до 1500К.

Таблица Температура, К 1300 1400 Металл Удельное Удельное Удельное Удельная Удельная Удельная сопротивл. сопротивл.

мощность сопротивл., мощность мощность, 10-6 pfп, 10-6 pfп,, 10-6 pfп, Вт/см2 Вт/см2 Вт/смОмсм Омсм Омсм Вольфрам 34,1 2,57 37,2 3,83 40,3 5,Сплав W – 50 % 35,7 3,8 38,7 5,2 41,0 6,Mo –50 % Сплав W – 20 % 33,7 - 36,7 - - - Mo –80 % При расчете могут быть использованы следующие выражения:

Рн = ИнIн, где Рн – мощность накала, Вт; Ин, Iн – напряжение и ток накала, В, А. При этом следует учесть, что около 10% энергии, подаваемой для накала, теряется вследствие теплопроводности держателей.

И lп 4lп н Rп = = =, 2 Iн d п d п где Rп – сопротивление подогревателя, Ом;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.