Введение к работе
Актуальность проблемы. Функционирование промышленно-развитого государства невозможно без радиовещания и телевидения, без надежной радиосвязи, включая военную связь (штабную, между родами войск, дальнюю связь кораблей с базами). При этом особую роль играют мощные радиосистемы. Элементами, определяющими тактико-технические характеристики таких систем, являются мощные генераторные лампы.
Многие виды радиолокационных систем как гражданского, так и военного применения (системы ПВО, загоризонтной радиолокации раннего оповещения, ряд систем наведения и управления стрельбой), также используют мощные генераторные лампы.
Таким образом, направление электроники, связанное с разработкой и производством мощных генераторных ламп (МГЛ), является неотъемлемой частью жизнеобеспечения государства, а сами эти приборы - одним из видов стратегически важной продукции.
Кроме этого, МГЛ находят широкое применение в ряде видов современных технологических установок, а также в некоторых специальных электрофизических установках, предназначенных для ускорения заряженных частиц и исследований в областях ядерной физики и термоядерного синтеза.
Конструктивно мощные генераторные лампы представляют собой триоды и тетроды в металлокерамической оболочке, использующие в качестве эмиттера электронов вольфрамовый торированный карбидированный катод (ВТК-катод).
ВТК-катод может стабильно работать в относительно широком диапазоне температур, обладает хорошей стойкостью к ионной бомбардировке л способен обеспечивать долговечность в 10000 часов и более. При этом долговечность определяется запасом карбида вольфрама и рабочей температурой катода, запаса окиси тория в исходной проволоке хватает для работы в сотни тысяч часов.
За время своего существования ВТК-катод нашел широкое использование в мощной электронике как катод мощных генераторных, модуляторных и регулирующих ламп, обеспечивающих функционирование и развитие таких областей техники, как теле- и радиовещание, радиосвязь, радиолокация, промышленный нагрев и физические исследования (ускорительная техника, термоядерный синтез, физика плазмы).
Вместе с тем длительное использование ВТК-катода сопровождалось существенным усложнением его конструкции и повышением технически;: требований к параметрам и характеристикам, что привело к необходимости решения ряда новых теоретических задач, таких, как: - учёт влияния эффекта самооблучённости на температурный режим катода; - оптимизация геометрии катода; - расчёт напряжённо-деформированного состояния и повышение формоустойчивости катода; - увеличение иедРтгпоети и долговечности при сохранении технических характерист ііРЙ^УШШИЙЙ^к^ Теория и
слетает а !
СЛст«р4т л \ 09 Ш»У«су Л/ j
методики расчета ВТК-катода разрабатывались применительно к катодам простой конструкции, как правило, в виде одиночных нитей, и перечисленные проблемы отсутствовали или носили несущественный характер. Прогресс в разработке мощных генераторных ламп с ВТК-катодом обеспечивался за счет совершенствования технологических процессов и эвристических конструкторских решений. Можно сказать, что время определило актуальную проблему разработки комплексной теории ВТК-катода, учитывающей многообразие физических процессов, происходящих при его работе, и создания на её основе методик расчёта и проектирования ВТК-катодов с долговечностью в десятки тысяч часов. Актуальность этой задачи подтверждается, в том числе, и обострением конкуренции как между различными производителями мощных генераторных ламп с ВТК-катодами, так и между приборами различных классов (полупроводниковые приборы, приборы СВЧ).
И в том и другом случае решающее значение имеет соотношение цены с техническими характеристиками и долговечностью.
Цель работы. Целью диссертационной работы было исследование комплекса физических процессов, происходящих при работе ВТК-катодов сложных конструкций и существенным образом определяющих его эффективность и долговечность, направленное на создание методик расчета и проектирования ВТК-катодов с долговечностью в десятки тысяч часов.
Для достижения этой цели необходимо было решить комплекс следующих задач:
исследование влияния эффекта самооблученности на температуру ВТК-катодов; определение зависимости коэффициента самооблученности от геометрических характеристик катодов; разработка методики расчета ВТК-катодов на заданную температуру с учетом эффекта самооблученности;
разработка и теоретическое обоснование усовершенствования конструкции ВТК-катодов, позволяющего увеличить токоотбор с катода и на базе этого снизить рабочую температуру и повысить долговечность катода;
определение механических характеристик материала ВТК-катода в состоянии использования и их зависимости от диаметра проволоки, степени карбидирования и температуры;
- разработка методики расчета напряжений и деформации ВТК-
катода, возникающих из-за несоответствия термического расширения ре
шетки катода и элементов её крепления, и анализ зависимости напряжений
и деформации от конструкции и геометрических характеристик катодов;
исследование физических процессов, происходящих при работе катода, и разработка ускоренных испытаний МГЛ с ВТК-катодом на долговечность;
техническая реализация разработанных методик и новых конструкций ВТК-катодов в промышленности при проектировании и производстве МГЛ повышенной надежности и долговечности.
Научная новизна.
-
Выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований различных физических процессов, происходящих в ВТК-катодах сложных конструкций, направленный на повышение долговечности мощных генераторных ламп с ВТК-катодами до десятков тысяч часов.
-
Выявлены закономерности повышения рабочей температуры ВТК-катода за счёт эффекта самооблучённости - многократного отражения лучистого потока с катода в системе электродов мощных генераторных ламп с последующим поглощением доли мощности этого потока самим катодом.
определена связь температуры ВТК-катода с коэффициентом самооблучённости;
определена зависимость коэффициента самооблучённости от геометрических характеристик ВТК-катода;
разработана методика расчёта геометрии ВТК-катода, учитывающая эффект самооблучённости, на заданные параметры: ток эмиссии, напряжение накала, долговечность.
3. Показано, что распределение токоотбора по поверхности ВТК-катода
сложных конструкций в режимах ограничения тока пространственным за
рядом и температурой, определяется расположением и конфигурацией ни
тей катода, и может быть оптимизировано для улучшения характеристик ка
тода.
определена зависимость токоотбора от геометрических характеристик ВТК-катода;
разработана методика расчета изменения токоотбора от соотношения количества нитей в наружном и внутреннем рядах ВТК-катода решётчатой конструкции;
показана возможность оптимизации геометрии ВТК-катода решётчатой конструкции, обеспечивающей повышение токоотбора до 25 % или снижение температуры катода и соответствующее увеличение его долговечности в 2-3 раза.
4. Установлено, что неравномерность токоотбора с поверхности ВТК-
катода определяет его рабочую температуру; показано, что улучшение рав
номерности токоотбора в 2 раза позволяет снизить рабочую температуру на
60-90 К и увеличить долговечность катода в ~5 раз.
определено влияние геометрии ВТК-катода решётчатой конструкции на равномерность токоотбора;
предложены и обследованы новые конструкции ВТК-катода с изменением сортамента исходного материала и технологии изготовления, снижающие неравномерность токоотбора и существенно повышающие долговечность катода.
5. Разработана теория расчёта напряжённо-деформированного состояния
ВТК-катода различных сложных конструкций.
- впервые экспериментально определены зависимости модуля Юнга и предела пропорциональности карбидированного торированного вольфрама
от диаметра проволоки, температуры и степени карбидирования в рабочем интервале температур ВТК-катода (1850-2050 К);
установлена зависимость оптимального угла навивки нитей ВТК-катода, обеспечивающего минимальную деформацию катода, от комплекса параметров, характеризующего макрогеометрию катода;
определена зависимость величины максимальных напряжений от геометрических характеристик ВТК-катода;
предложена теория прочности, позволяющая прогнозировать появление остаточной деформации.
6. Разработана эффективная методика ускоренных испытаний мощных генераторных ламп с ВТК-катодом на надёжность и долговечность, позволяющая сократить длительность испытаний в 10 раз, снизив затраты на их проведение и обеспечив достоверность получаемых результатов.
исследованы факторы влияющие на долговечность мощных генераторных ламп с ВТК-катодом и разработана методика расчёта режима ускоренных испытаний, основанная на повышении рабочей температуры катода;
предложены и обоснованы информативные параметры, контролируемые в процессе испытания, и разработана методика их сравнения в ускоренном и нормальном режимах;
разработана методика формирования выборок ламп для сравнительных испытаний, подтверждающих идентичность результатов испытаний в ускоренном и нормальном режимах;
разработана методика сравнения теоретического и экспериментального коэффициентов ускорения.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке и организации на базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований промышленного выпуска МГЛ с ВТК-катодами повышенной надежности и долговечности.
в разработке и использовании методик расчета, учитывающих эффекты, характерные для ВТК-катодов сложных конструкций, и позволяющих проектировать МГЛ повышенной надежности и долговечности.
- в разработке и внедрении в производство ускоренных испытаний на
безотказность и долговечность, позволяющих повысить оперативность по
лучения результатов и снизить затраты на проведение испытаний.
Реализация результатов работы. На базе теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, в ЗАО «СЕД-СПб» в период 1985-2003 гг. разработано пять типов МГЛ, в конструкции которых использовались усовершенствованные ВТК-катоды. Разработанная методика расчета катода на заданную температуру внедрена в процесс проектирования МГЛ и использовалась при разработке 26 типов приборов.
Разработанные конструкции и технологии изготовления ВТК-катодов защищены пятью авторскими свидетельствами на изобретения.
Теория расчета напряжённо-деформированного состояния ВТК-катода позволила оптимизировать конструкции катодов 16 типов МГЛ, повысив их формоустойчивость и, тем самым, обеспечив большую надежность.
Ускоренные испытания на безотказность и долговечность широко используются при проектировании и производстве МГЛ в ЗАО «СЕД-СПб» г. Санкт Петербург на предприятиях ГНПП «Контакт» г. Саратов и ПО «Полярон» г. Львов. В настоящее время ускоренным испытаниям подвергаются более 70 типов МГЛ.
Годовой экономический эффект от использования результатов, полученных в диссертационной работе, составил 14,406 млн. руб.
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Явление самооблучённости ВТК-катодов решётчатого типа приводит к увеличению реальной температуры катода над расчётной до 70 К, что уменьшает его долговечность более чем в 2 раза.
-
Неравномерность токоотбора с поверхности ВТК-катода приводит к необходимости повышения рабочей температуры катода для обеспечения требуемой средней плотности катодного тока, при этом уменьшение неравномерности токоотбора в 2 раза позволяет снизить температуру катода на 60-90 К и повысить долговечность в 3-5 раз. В частности:
оптимизация геометрии решётчатого ВТК-катода изменением соотношения количества нитей в наружном и внутреннем рядах позволяет уменьшить неравномерность токоотбора и увеличить его до 25 % или снизить рабочую температуру катода, увеличив в 2-3 раза его долговечность;
замена проволочных нитей ВТК-катода на нити из плющенки, с сохранением площади поперечного сечения, позволяет уменьшить неравномерность токоотбора в 1,5 раза, увеличив в 2-3 раза его долговечность;
-
Определяющим геометрическим фактором минимизации напряжений, возникающих в ВТК-катоде при его деформации, является угол наклона навивки нитей катода, который должен выбираться в диапазоне 20-40 в зависимости от макрогеометрии катода, при этом уменьшение угла наклона сопровождается уменьшением величины деформации.
-
Температура катода является определяющим и достаточным фактором для форсирования режима испытания на долговечность мощных генераторных ламп с ВТК-катодом, её увеличение на 100 К позволяет сократить длительность испытаний в 10-12 раз при сохранении информативности и идентичности результатов испытаний.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на: - конференции «Новые методы сварки в машиностроении и приборостроении», г.Саратов, 1988г.; - Международной выставке NAB96 (Национальная ассоциация радиовещателей), Las Vegas, Nevada, USA, 1996г.; - Международной выставке TRBE «Телерадиовещание-99», Москва, Россия, 1999г.; - The Par-
tide Accelerator Conference, Chicago, Illinois, USA, 2001 г.; - Third IEEE International Vacuum Electronics Conference, Monterey, California, USA, 2002; -IEEE International Vacuum Electron Sources Conference, Saratov, Russia, 2002; - Научных семинарах и конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного Электротехнического университета «ЛЭТИ»; - Научно-технических советах ОАО «Светлана», ЗАО «СЕД-СПб», ГНПП «Контакт», ОАО НИИ «Электрон».
Материалы диссертации использовались в работе, удостоенной Государственной Премии Российской Федерации в области науки и техники за 2000 год.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатных работы, из них 1 монография, 2 учебных пособия, 13 статей, 5 авторских свидетельств на изобретения и тезисы к 2 докладам на международных и всесоюзных научно-технических конференциях.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,шести глав, заключения, пяти приложений и списка литературы, включающего 183 наименования. Основная часть диссертации изложена на 261 странице машинописного текста. Работа содержит 70рисунков и 38 таблиц.