CN102087946A - 一种提高阴极热子组件加热效率的结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高阴极热子组件加热效率的结构及制备方法，涉及真空电子技术，应用于X、ku、ka波段空间行波管的研制和生产。该热屏筒材料为厚度为0.05mm的难熔金属或合金皮料，热屏筒的结构为表面横向开隔热槽的圆筒。该制备方法是采用电火花切割的加工方法在热屏筒表面加工出规则形状的隔热槽，并通过点焊方法使热屏筒与阴极钼筒、阴极底座实现局部点连接。本发明结构的阴极热子组件可靠性高、结构牢固，通过延长热传导路径、减少接触面积的方法，减少传导热量，显著降低热子功耗，从而提高阴极热子组件的加热效率。且具有制备方法工艺简单、成本低，可控性强等特点。

Description

一种提高阴极热子组件加热效率的结构及制备方法

技术领域

本发明涉及真空电子技术领域，是应用于空间行波管的阴极热子组件提高加热效率的结构及制备方法。

背景技术

空间(卫星)行波管及放大器是空间技术领域中的关键部件之一，作为微波功率放大源在各类军、民用卫星转发器上承担和发挥着数据传输、通信导航定位以及电子侦察对抗等功能和作用。

热阴极作为微波电真空器件的核心部件，其技术水平往往决定了器件整体应用性能的高低。尤其对于空间行波管而言，由于服役时间长、电源容量有限，因此对阴极热子组件技术的要求就更高。不仅要满足整管的阴极发射电流密度指标，而且必须使阴极工作在高效率、低消耗状态(即尽可能地降低热子功率)，从而使阴极寿命足够长。

阴极热子组件工作在超高真空环境中，因此热量的传递主要是通过传导和辐射的方式进行的。在相同的热子加热功率条件下，减少热传导和热辐射是提高阴极热子组件加热效率的必然途径。

在阴极热子组件制备中采取难熔金属材料制成的热屏，可以减少热辐射，并且通过降低热屏材料的厚度使得热传导截面积减少，从而可以提高加热效率，但是厚度过小，热屏材料的强度将显著减低，这样热屏筒对阴极的支撑强度弱，从而无法满足空间行波管等空间器件十分严酷的环境试验条件，如冲击和振动试验等。

发明内容

本发明的目的是公开一种提高阴极热子组件加热效率的结构及制备方法，克服现有技术中热屏筒厚度和加热效率之间的矛盾，在满足空间行波管严酷的环境条件的前提下，获得高的加热效率，降低阴极热子组件工作时的热负荷，以提高组件的工作可靠性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种提高阴极热子组件加热效率的结构，包括阴极、阴极钼筒、热子组件、热屏筒、阴极底座；其热屏筒为上下对称、表面横向开隔热槽的圆筒，整个热屏筒上的隔热槽层数为2-4层，每层之间等距；每一层圆周的隔热槽数量至少为二个，对称设置，相邻二层上的隔热槽之间错位对称设置；隔热槽的宽度为0.2-0.5mm。

所述的提高阴极热子组件加热效率的结构，其所述热屏筒采用厚度为0.05mm的难熔金属或合金皮料。

所述的提高阴极热子组件加热效率的结构，其所述难熔金属或合金，为钼(Mo)、钨(W)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)中的一种或几种。

所述的提高阴极热子组件加热效率的结构，其所述每一层圆周的隔热槽数量为二个时，180度对称设置，相邻二层上的隔热槽之间90度对称设置。

一种所述的提高阴极热子组件加热效率的结构的制备方法，其包括步骤：

a)常温下，采用电火花切割热屏筒上的隔热槽，成形后；

b)在真空或氢气气氛中，850-1000℃高温中净化退火，保温时间20-40分钟；

c)自然冷却得成品，备用。

所述的制备方法，还包括组装步骤d)，常温下，采用电阻焊方法点焊，使热屏筒的上、下两端分别与阴极钼筒、阴极底座实现牢固点连接；焊点在接触面圆周上对称、均匀分布，为6-8点。

本发明的优点在于：

难熔金属钼(Mo)、钨(W)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)及其合金具有的共同特点是热传导系数较低，且熔点较高，适合作为高温热屏材料。

热屏筒表面横向开隔热槽的结构，用延长热传导路径、减少接触面积的方法，减少传导热量，显著降低热子功耗，从而提高阴极热子组件的加热效率。并通过点焊方法使热屏筒与阴极钼筒、阴极底座实现局部点连接，从而制作成可靠性高、结构牢固的阴极热子组件。

附图说明

图1为阴极热子组件示意图；

图2为本发明阴极热子组件中的热屏筒结构展开示意图；

图3为本发明的阴极热子组件结构与原有组件结构对比阴极温度与热子加热功率关系曲线图；

图4为本发明的阴极热子组件结构与俄罗斯进口组件对比的阴极温度与热子加热功率关系曲线图。

具体实施方式

本发明的一种提高阴极热子组件加热效率的结构及制备方法，在满足空间行波管严酷的环境试验条件的前提下，通过采用热屏筒表面开隔热槽的结构，以及选择机械强度高的难熔金属合金材料等方法，克服了现有技术中的热屏筒厚度和加热效率之间的矛盾。这种结构的阴极热子组件应用于X、Ku、Ka波段等多种空间行波管的研制，获得了很高的加热效率。在相同的阴极温度条件下，阴极热子组件的加热效率比原有结构的组件提高了30％以上，从而降低了阴极热子组件工作时的热负荷，大大提高组件的工作可靠性。

本发明在基本不影响阴极热子组件整体强度的情况下使得阴极热子组件的加热效率得到了明显地提高，而且该结构的制备工艺可控性强、制作成本低。

热传导的基本公式为：

Q＝K×A×ΔT/ΔL

其中：Q代表为热量，也就是热传导所产生或传导的热量；

K为材料的热传导系数，

A为传热的面积；

ΔT代表两端的温度差；

ΔL则是两端的距离。

从公式中就可知，热量传递的大小同热传导系数、热传热面积成正比，同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大，传输的距离越短，那么热传导的能量就越高，也就越容易带走热量。

应用于X、Ku、Ka波段空间行波管的阴极热子组件如图1所示，其主要包括有阴极1、阴极钼筒2、热子组件(含氧化铝粉末烧结体)3、热屏筒4、阴极底座5等部分组成。阴极热子组件的热量由热子产生，通过氧化铝粉末烧结体向阴极、阴极钼筒以及热屏筒传导和辐射。因此控制热屏筒的热量损失是提高阴极热子组件加热效率的重要途径。而由于阴极热子组件的尺寸较小、热辐射面积也相对较小，因此热传导是热量耗散的主要方式。阴极热子组件热传导的主要途径是通过与阴极钼筒接触的热屏筒将热量传导至阴极底座来完成的。

选择厚度为0.05mm的难熔金属或合金皮料作为热屏材料，其中难熔金属或合金元素为钼(Mo)、钨(W)、铼(Re)、钽(Ta)、铌(Nb)中的一种或几种。它们具有共同的特点是热传导系数较低，且熔点较高，适合作为高温热屏材料。

热屏筒的结构为表面横向开隔热槽的圆筒，如图2所示。每个圆周的隔热槽数量为2个，180度对称；整个热屏的隔热槽层数为2-4层，每层之间等距，并90度对称；隔热槽的宽度为0.2-0.5mm。

采用电火花切割加工成形热屏筒的隔热槽。加工完成后的热屏筒在真空或氢气气氛中，850-1000℃高温净化退火，保温时间20-40分钟。

热屏筒4上下对称，可以采用接触电阻点焊方法使得上下两端分别与阴极钼筒2、阴极底座5实现牢固连接，焊点在接触面圆周上对称、均匀分布，共6-8点。

本发明已经应用于X、Ku、Ka波段空间行波管的实际工程制管，阴极温度与热子加热功率的关系曲线如图3所示。采用上述热屏结构制备的阴极热子组件加热效率比原有结构的组件提高30％以上。

本发明制备的阴极热子组件在阴极温度为950度时的热子加热功率可以达到2.4-2.5W，比俄罗斯进口的阴极热子组件的加热功率还低0.3W左右，如图4所示。

本发明的阴极热子组件结构具有很高的加热效率，制备方法的工艺简单、工艺成本低，可控性强。

Claims (6)

1.一种提高阴极热子组件加热效率的结构，包括阴极、阴极钼筒、热子组件、热屏筒、阴极底座；其特征在于：热屏筒为上下对称、表面横向开隔热槽的圆筒，整个热屏筒上的隔热槽层数为2-4层，每层之间等距；每一层圆周的隔热槽数量至少为二个，对称设置，相邻二层上的隔热槽之间错位对称设置；隔热槽的宽度为0.2-0.5mm。

2.根据权利要求1所述的提高阴极热子组件加热效率的结构，其特征在于：所述热屏筒采用厚度为0.05mm的难熔金属或合金皮料。

3.根据权利要求2所述的提高阴极热子组件加热效率的结构，其特征在于：所述难熔金属或合金，为钼、钨、铼、钽、铌中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的提高阴极热子组件加热效率的结构，其特征在于：所述每一层圆周的隔热槽数量为二个时，180度对称设置，相邻二层上的隔热槽之间90度对称设置。

5.一种根据权利要求1所述的提高阴极热子组件加热效率的结构的制备方法，其特征在于：包括步骤：

a、常温下，采用电火花切割热屏筒上的隔热槽，成形后；

b、在真空或氢气气氛中，850-1000℃高温中净化退火，保温时间20-40分钟；

c、自然冷却得成品，备用。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：还包括组装步骤d，常温下，采用电阻焊方法点焊，使热屏筒的上、下两端分别与阴极钼筒、阴极底座实现牢固点连接；焊点在接触面圆周上对称、均匀分布，为6-8点。

Images