Материал: Sb98836

При 1 < K1 < 1.1 тепловой расчет выполняется без учета теплового отвода посредством теплопроводности. При K1 > 10 можно не учитывать тепло-

вое излучение, тогда K 1 0.5K2K1 1 0.5qqтеп .

Решение критериального уравнения позволяет найти соотношение между Tmax и Т1. Возможны два направления расчета:

1)по известной температуре Т1 и геометрии охлаждаемых элементов определяется Tmax ;

2)по выбранной Tmax в соответствии с условием Tmax Тдоп рассчиты-

ваются Т1 и система охлаждения.

При использовании критериальных уравнений чаще применяют второй путь. Определяется тепловой поток теплопроводности, который должен отводиться охлаждающим устройством в точке с температурой Т1:

Для сеток стержневой конструкции полученные T1 и Qλ достаточны для расчета охлаждающей системы. Для спиральных сеток необходимо дополнительно рассчитать тепловой режим траверз. Так как траверзы выполняются довольно большого поперечного сечения из материала с высокой теплопроводностью, тепловой режим рассчитывается без учета излучения траверз. Решение критериального уравнения в этом случае дает следующий результат для температуры охлажденного конца траверзы T2:

T2 T1 0.5 qтрlтр2 трSтр ,

где qтр 2Q a – мощность, отводимая от витков к единице длины траверзы; lтр – расстояние на траверзе между точками с температурами T2 и T1; λтр – коэффициент теплопроводности траверзы; Sтр – площадь поперечного сечения траверзы. Тепловой поток теплопроводности от каждой траверзы

Отвод теплового потока теплопроводности может быть естественным и принудительным. При естественном охлаждении функцию охлаждающей системы (радиатора излучения) выполняет держатель сетки, площадь поверхно-

сти которого может быть определена по формуле Fp Q0 p T04 , где Q0 –

21

мощность излучения, которую охлаждающая система должна рассеивать при температуре Т0 (для стержневой сетки T0 T1, Q0 nстQ ; для спиральной – T0 T2 , Q0 nтрQ тр , где nст и nтр – число стержней и траверз соответствен-

но); εр – коэффициент излучения материала радиатора. Для повышения эффективности теплового отвода сетки можно увеличить число траверз, увеличить их поперечное сечение, ввести дополнительный радиатор излучения в верхней части.

Антиэмиссионные покрытия. Высокая тепловая нагрузка наряду с требованиями формоустойчивости выдвигает в качестве принципиально важных параметров и антиэмиссионную устойчивость поверхностей сеток, что в большинстве случаев не может быть обеспечено их конструктивным материалом. Так, при температуре, не превышающей 1300…1400 К, уровень термоэлектронной эмиссии молибдена и вольфрама достигает единиц миллиампер с квадратного сантиметра поверхности сеток, что существенно влияет на физический механизм управления электронным потоком и вносит непреодолимые аномалии в работу генераторных ламп как в усилительном, так и автогенераторном режимах. Исключением из этого являются сетки ячейковых приборов, имеющих водоохлаждаемые сеточные блоки, и пирографит, обладающий максимальным антиэмиссионным эффектом (при температуре пирографита 1800 К плотность эмиссионного тока не превышает 1 мкА/см2). Все остальные сетки (а это большинство конструкций сеток ламп с ВТКК) для реализации требований по антиэмиссионным свойствам имеют специальные антиэмиссионные покрытия. Одновременно эти покрытия должны обладать высокими теплоизлучающими параметрами для передачи тепловой нагрузки в сторону внешних (охлаждаемых) электродов и элементов оболочки ламп.

Основными требованиями к антиэмиссионным покрытиям являются:

наличие максимально высокого потенциала работы выхода электронов и устойчивость к напылению активного вещества ВТКК, в первую очередь – то-

рия. Наиболее часто используемыми антиэмиссионными покрытиями являются металлы: титан (исторически наиболее ранний) – в силу простоты технологии и дешевизны, а также благородная платина, обладающая наибольшей работой выхода (более 5 эВ) и имеющая низкую адгезионную способность соединения с большинством конструкционных материалов сеток, а поэтому до последнего времени редко применяемая.

22

Существует способ изготовления антиэмиссионного покрытия на сеточных электродах из молибдена, включающий в себя: формирование катафорезом слоя карбида циркония толщиной порядка 10 мкм; припекание в вакууме при температуре 1770 К; нанесение катафорезом поверхностного слоя платины; припекание при температуре 1300…1600 К. В полученном таким способом композиционном покрытии антиэмиссионным слоем является платина, а карбид циркония выполняет роль диффузного барьера между платиной и керном сетки.

Для уменьшения термоэлектронной эмиссии сеточный электрод покрывают металлом VIII группы Периодической системы элементов Менделеева, в частности платиной. Для уменьшения диффузии платины в керн сетки и повышения излучающей способности между основным металлом и платиной наносят промежуточный слой, состоящий из соединения Zr−Pt или Ti–Pt. Такой способ получения антиэмиссионного покрытия включает в себя следующие технологические операции: на сетку методом катафореза осаждается порошкообразное интерметаллическое соединение Zr–Pt или Ti–Pt толщиной 5…10 мкм, после чего оно в течение 20 мин припекается при температуре 1800…1900 К в атмосфере инертных газов или в вакууме; последующий трехмикронный слой Pt формируется электролитическим способом, после чего сетку вновь отжигают в вакууме при температуре 1800…1900 К. Путем подбора зернистости порошка интерметаллического соединения можно точно устанавливать шероховатость поверхности и тем самым целенаправленно воздействовать на вторичную эмиссию сеточного электрода.

Сеточные электроды генераторных ламп с большой емкостью тепловой нагрузки, выполненные из Мо [4], W или Та, имеют антиэмиссионное покрытие, включающее промежуточный слой, образованный металлоидом и металлом, из которого выполнена сетка, и поверхностный слой платины. Предпочтительная толщина промежуточного слоя с небольшой шероховатостью составляет 15 % от ширины металлической проволоки. Толщина поверхностного металлического слоя Pt достигает 30 мкм.

Возможно получение антиэмиссионного интерметаллического покрытия Pt3Zr [5], [6]. В данном технологическом процессе для нанесения покрытия карбида циркония используется плазменно-дуговой метод, осуществляемый плазмотроном с самоустанавливающейся длиной дуги в аргоне при давлении 10 кПа. Однако данный способ получения карбида циркония характеризуется наличием существенных недостатков:

23

–используемый в качестве исходного материала для формирования карбидного слоя порошок ZrC является взрыво- и пожароопасным веществом, что требует соблюдения очень строгих правил по технике безопасности как при его хранении, так и при работе с ним;

–формируемые покрытия ZrC обладают невысокой адгезией, что в дальнейшем снижает сцепление многослойного покрытия с керном сетки.

Проблемой по улучшению антиэмиссионных свойств покрытий занимаются в тех странах, где осуществляется разработка генераторных ламп, при этом все основные решения сводятся к использованию многослойных покрытий с оконечным использованием платины Pt. Применение гладкого электролитического покрытия платины не обеспечивает высокой излучательной способности поверхности сеточного электрода, в результате чего повышается его температура, а следовательно, растет скорость диффузии Pt в материал основы. В случае применения шероховатых покрытий (особенно из порошка)

влампе возникают искрения, снижающие электрическую прочность прибора.

Ионно-плазменные технологии нанесения титановых покрытий. На-

иболее широко в качестве антиэмиссионного покрытия на сетках генераторных ламп с ВТКК в настоящее время применяется титан. Механизм работы титана состоит в десорбции атомов активного вещества катода с поверхности сетки при достаточной тепловой нагрузке. Расчетная температура десорбции тория с поверхности титана составляет 900 К. Работа выхода титанового покрытия в условиях напыления активного вещества с катода составляет 3.0 эВ при температуре 1000 К, 3.16 эВ – при 1200 К и 3.35 эВ – при 1400 К. Коэффициент излучения для указанных температур, соответственно, равен 0.53;

0.56и 0.58.

Кроме перечисленных положительных свойств титана следует отметить

и тот факт, что в рабочих режимах эксплуатации титановые покрытия являются геттерирующими, активно способствующими поддержанию благоприятных вакуумных условий в приборе. Титан поглощает активные газы и удерживает их в широком температурном диапазоне, начиная с 473 К. Сорбционная емкость титановых покрытий зависит от толщины, шероховатости и пористости покрытия и в значительной степени определяется методом его получения. Титановые покрытия на различных металлах, например на чистом железе, проявляют хорошие поглощающие свойства в диапазоне температур от 770 до 870 К, а при температуре 1370 К уже достигается динамическое равновесие в процессе газопоглощения.

24

В вакууме, при давлении от 8 ∙ 101 до 103 Па, кислород интенсивно поглощается предварительно обезгаженным титаном в диапазоне температур от 470 до 970 К, при этом оптимальной считается температура 770 К. Поглощение водорода начинается при температуре 570 К, а азота, углекислого газа и оксида углерода при температуре от 870 до 970 К. По достижении температуры 1070 К уже наблюдается выделение поглощенных газов, увеличивающееся с дальнейшим ростом температуры. Данный процесс существенно зависит как от режима его активировки, так и от метода получения покрытия. При температуре свыше 1470 К титан начинает активно испаряться и сорбировать даже инертные газы.

Для эффективного выполнения своей роли газопоглощающие покрытия должны быть химически устойчивы, обладать высокой геттерирующей емкостью при низком газосодержании и иметь надежное механическое сцепление с подложкой, что в большинстве случаев и определяет возможность их практического использования.

Для нанесения покрытий на сетки генераторных ламп использовались ва- куумно-дуговые источники плазмы коаксиальной конструкции [7]. Для реализации выбранного типа вакуумно-дугового разряда с интегрально-холодным катодом используется принудительная система водяного охлаждения электродов, обеспечивающая такой режим катода, при котором средняя по его поверхности температура недостаточна для поддержания между электродами тока за счет термоэлектронной эмиссии. В этом случае эмиссионным центром разряда на поверхности отрицательного катода является катодное пятно, представляющее собой небольшую, ярко светящуюся область, через которую происходит перенос тока между катодом и столбом дуги.

Напыление титана позволяет создавать как защитные покрытия, служащие для предотвращения испарения, так и чернящие и антиэмиссионные покрытия, обладающие достаточно высокой адгезией с подложкой. Из свойств титана следует отметить высокую механическую прочность, легкость, высокую температуру плавления, низкий коэффициент вторично-электронной эмиссии, хорошие геттерные свойства и устойчивые характеристики к окислению и взаимодействию с парами щелочных металлов. Обладая перечисленными положительными свойствами, титан имеет невысокий коэффициент излучения – порядка 0.4, что, однако, существенно превышает соответствующий показатель для меди.

25