Материал: Sb98836

где – коэффициент теплопроводности, Вт/(К см); q – площадь поперечного сечения нити катода, см2; – удельная мощность излучения, Вт/см2; S0 – периметр поперечного сечения катода, см; Iн – ток накала, А; – удельное сопротивление материала катода, Ом см.

Для достаточно протяженного катода с длиной, существенно превосходящей размер холодных концов ( L x0 ), с учетом того что в середине таких ка-

Выражение (1.11) позволяет определить длину охлажденного конца катода, если задана температура в точке, ограничивающей холодный конец, при условии малого изменения тока эмиссии. Например, при T 0.999Tmax получаем:

Вследствие влияния охлажденных концов у реального катода по сравнению с идеальным при одинаковом токе накала напряжение накала меньше, а следовательно, и меньше ток эмиссии.

6

Сравнение идеального и реального катодов позволило ввести поправки

n Ue Uн , следовательно, поправки могут быть определены экспериментально сравнением двух катодов, отличающихся только L.

Используя (1.2), (1.5), с учетом (1.14), (1.15) получаем:

На практике при расчете реального ВТКК в (1.6) и (1.7) вместо заданного значения напряжения используют напряжение накала идеального катода Uн.и Uн n Uн . Для расчета поправки на охлажденные концы использует-

ся выражение Uн 1.3 104(Тк 400) .

Учет коэффициента самооблученности. Рассмотренные методики расче-

та эквитемпературного катода, строго говоря, справедливы для одиночных нитей или катодов, состоящих из достаточно удаленных друг от друга нитей. В отличие от одиночной нити температура нити в решетчатом катоде определяется не только подводимой к ней мощностью, но и многократным отражением лучистых потоков. Влияние этого эффекта на тепловой режим катода характеризуется коэффициентом самооблученности ( ), представляющим собой долю излучаемой катодом мощности, которая в результате многократных отражений поглощается им обратно. Если не учитывать самооблученность катода, то его реальная температура будет превышать расчетную, что существенно снизит ожидаемый срок службы.

7

Ввиду значительной трудоемкости теоретического расчета коэффициента самооблученности для его определения используется экспериментальный способ. Снимается зависимость температуры катода от тока накала для катодов с различными геометрическими характеристиками. Так как диаметр нити катода значительно меньше ее длины, в центре катода обеспечивается равенство плотности джоулева тепловыделения (удельной мощности накала) и плотности потока излучения, которые для решетчатого катода определяются, соответственно, выражениями

где γ – степень карбидирования катода; I – ток накала, А; D – диаметр проволоки катода, см; N – количество нитей катода; Т – температура катода, К;

0( )T n( ) – аппроксимация зависимости удельного сопротивления от степе-

ни карбидирования и температуры; T m 0 (T )T 4 (σ0 – постоянная Стефана Больцмана; (T ) – излучательная способность материала катода).

В диапазоне 1600…2200 К величины 0( ) и n( ) вычисляются по формулам:

–для материала ВР10Т2.

Сучетом равенства q f qr , после аппроксимации зависимости qr от Т

методом наименьших квадратов, определяется по формулам

где i = 1, 2, …, S – число измерений. Обработка результатов экспериментов методом регрессионного анализа позволила установить эмпирическую зависимость коэффициента самооблученности от геометрических характеристик исследуемого катода:

8

щий отношение поверхности, занятой нитями в решетке, к цилиндрической поверхности решетки (β – угол навивки нитей); Н – высота катода; Dк – диаметр катода (см. рис. 1.1).

С учетом (1.16) зависимость температуры в центре катода от его материала, геометрии и параметров определяется выражением

На рис. 1.2 приведены рассчитанные

где I I / N .

e e

Если коэффициент самооблученности не учитывается при проектировании катодов, то это приводит к превышению реальной температуры по отношению к используемой в расчете. Например, при 0.14 увеличение температуры достигает 70 С, что резко снижает ожидаемый срок службы катода.

Технология изготовления катодов. Основными причинами малой меха-

нической прочности ВТКК, в качестве исходного материала для которых используется вольфрам марок ВТ15 и ВР10Т2, являются:

9

–бинарная система проволок, составляющих катод, т. е. наружная поверхность – карбид вольфрама, а внутренняя – вольфрам;

–наличие у исходной проволоки достаточно большой приповерхностной зоны с повышенной микротвердостью, т. е. дефектного слоя.

Если первая из причин является свойством ВТКК, то вторая – следствием термомеханической обработки (волочение) исходного материала в процессе изготовления проволоки. Наличие деформированного слоя, а также развитого микрорельефа поверхности снижает механическую прочность исходного материала из-за большой напряженной области и поверхностных дефектов. Последнее усугубляется процессом карбидирования.

Наиболее эффективным методом обработки вольфрамовой проволоки (очистка от аквадага, удаление дефектного слоя) является электрохимическое полирование, в процессе которого на металле образуется тонкая оксидная пленка, затрудняющая растравливание металла под действием раствора. Толщина оксидной пленки меньше на микровыступах и больше на микровпадинах. Кроме того, в микровпадинах удерживается вязкий слой продуктов реакции металла с раствором. Все это приводит к тому, что микровыступы, на которых плотность тока больше, растворяются быстрее, чем микровпадины, следовательно, происходит сглаживание неровностей на поверхности металла, а также снятие дефектного слоя.

При электрохимическом полировании обрабатываемое изделие служит анодом. Эффективность сглаживания микронеровностей зависит от состава электролита, режима электролиза и степени шероховатости поверхности. Основное значение при этом имеет анодная поляризация.

На рис. 1.3 приведена кривая зависимости тока от напряжения при электрополировании. Участок кривой AB соответствует нормальному рас-

10