Материал: Sb98836

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

А. А. ЛИСЕНКОВ С. А. МАРЦЫНЮКОВ Д. К. КОСТРИН

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2019

УДК 533.9:621.387 ББК 32.844 Л63

Лисенков А. А., Марцынюков С. А., Кострин Д. К.

Л63 Конструирование и технология электронных приборов: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2019. 32 с.

ISBN 978-5-7629-

Содержит материалы по курсу «Конструирование и технология электронных приборов». Рассматриваются основы конструирования и изготовления электронных приборов, которые базируются на использовании сочетания разнообразных свойств материалов и физико-химических процессов, влияние процессов на свойства приборов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника».

УДК 533.9:621.387

ББК 32.844

Рецензент д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник АО «ЦНИИ “Электрон”» Р. М. Степанов.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

Введение

Основной задачей проектирования электронных приборов является определение размеров и конфигурации всех электродов. Геометрия электродов рассчитывается из условий токопрохождения, удовлетворяющих заданным параметрам электрического режима (анодному току, напряжениям на электродах, коэффициенту усиления, крутизне). Затем определяют возможность рассеяния мощностей, выделяющихся на электродах во время работы прибора. С точки зрения анализа тепловых процессов электронный прибор является сложной системой. Температурные режимы электродов рассчитывают с учетом теплообмена между всеми элементами системы. Тепловой расчет позволяет оценить работоспособность электродов в условиях длительной эксплуатации.

В настоящее время увеличилась мощность, отдаваемая в нагрузку, уменьшились габариты приборов и стали более разнообразными варианты их конструктивного исполнения, поэтому возросли требования к надежности работы электронных приборов.

Следует отметить, что в качестве исходной литературы для расчета катода использовались работы В. С. Прилуцкого [1].

1. Катоды электронных приборов

Особенности расчета катода. Развитие и совершенствование вольфрамового торированного карбидированного катода (ВТКК) привело к созданию двух наиболее часто применяемых в мощных электронных приборах конструкций: решетчатой и стержневой.

Решетчатая конструкция позволяет существенно увеличить эффективную поверхность катода и снизить влияние охлажденных концов. Она представляет собой цилиндрическую сетчатую систему, состоящую из двух многозаходных спиралей, идущих навстречу друг другу с углами навивки β и (180 – β). Точки пересечения нитей эквипотенциальны и могут быть сварены контактной электросваркой. Как правило, число право- и левозаходных спиралей (нитей) одинаково (решетка имеет n пар спиралей), однако в некоторых случаях для повышения эффективности применяют различное число право- и левозаходных спиралей. Иногда для повышения формоустойчивости катода за счет натяга, компенсирующего термическое расширение катода, применяют расположение нитей вдоль продольной оси.

3

Стержневые катоды применяются в приборах ячейкового типа СВЧдиапазона, где требуются короткие и относительно толстые катоды. Для выравнивания температуры вдоль катода предусмотрены участки на его концах с меньшим поперечным сечением (шейки). Такие катоды могут иметь карбидный слой большой толщины (до 100 мкм) и повышенную до 2100 К рабочую температуру, что увеличивает их эффективность при достаточной долговечности. Основными параметрами, определяющими эксплуатационные свой-

ционных пределах. Однако с ростом температуры, несмотря на улучшение эмиссионных свойств и эффективности катода, резко снижается его долговечность. Оптимальная рабочая температура определяется как конструктивными особенностями катода, так и рабочими параметрами прибора, в котором он применяется, и лежит в диапазоне 1950…2050 К.

При расчете катодов сложных конструкций следует иметь в виду, что указанные параметры ВТКК относятся к катодам, представляющим собой одиночные нити либо конструкции, которые можно рассматривать как совокупность одиночных нитей, не оказывающих влияния друг на друга.

Расчет эквитемпературного катода. Методика расчета эквитемпера-

турного ВТКК при рабочей температуре 2000 К базируется на теории идеального катода [2]. Исходными данными для расчета служат:

ветственно, для γ = 10, 20, 30, 40, 50 %;

4

– эффективность карбидированного катода в зависимости от степени покрытия торием: Hкар|Т = 2000 К = 0.04…0.07 А/Вт.

На основании указанных данных для катода длиной L и диаметром D, пренебрегая влиянием охлажденных концов и рассматривая катод как идеальный, получаем следующие расчетные формулы:

Приведенный расчет является приближенным, получаемая ошибка тем меньше, чем меньше влияние охлажденных концов. Удовлетворительный результат получается лишь при проектировании катодов в виде длинных одиночных нитей и редких спиралей. К недостаткам указанной методики следует отнести и ее привязку к конкретной температуре катода.

Следует отметить, что при расчете решетчатых катодов, которые можно рассматривать как совокупность одиночных нитей, не оказывающих влияния друг на друга, в (1.6) и (1.7) вместо Ie необходимо подставить Ie = Ie/N, где N – количество параллельно включенных нитей катода.

Учет влияния охлажденных концов. ВТКК может быть произведен на основе теории реального прямонакального катода. Используя уравнение теплопроводности Фурье и учитывая потери тепла на лучеиспускание и энергию джоулева разогрева током накала, можно записать уравнение, определяющее тепловой режим реального катода:

5