CN1064564A - 电子发射仪的阴极加热组件 - Google Patents

Abstract

阴极加热组件包括发射体(1)固定在至少有两个 线型的加热元件(4)的中心部位(3)，加热元件的边缘 线段(5)都与发射体(1)的纵向几何轴线(2)形成相同 的锐角(α)。线型加热元件(4)的端头固定在导电母 线(6)上。边缘线段(5)端头布置在多边形的顶点，该 多边形有两条相互垂直的对称轴线(8，9)。其中之一 穿过导电母线(6)的轴线。而其交点落在发射体(1) 的轴线上。

Description

本发明是关于电子技术的，更确切点说，是关于电子发射仪的阴极加热组件的。

本发明可以成功地用于电视机、示波器、指示仪、透视和其它电子发射管，以及其它的电子发射仪等电子工业部门，而这些电子发射仪器需要有高度的电子流，在高分辨阈下形成电子束，并具有耐久性、加热时间短和低功率消耗等特征。

做为现代电子发射仪的最重量部件的阴极加热组件要有高质量的指标;这就是光亮度、分辨阈、耐久性、可靠性、功率消耗、加热时间及其它。

当前的电子发射仪都广泛应用阴极加热组件做其电子源。这些组件用间接灯丝的氧化阴极，其发射能力受到限制，而且不能连续地使用电子流密度大于1A/cm²的工况，这样，在一系列的情况下不足以保证电子发射仪必须发出电子的技术特性，比如为保证现代电子发射管有足够的亮度，就得由氧化阴极发射高密度的电子流，因而就要降低整个仪器的使用寿命。

此外，氧化阴极具有惰性，就是当把它投入工作后，达到工作温度需要等待一定的加热时间。故在某些情况下，使用这种带这类阴极的仪器的时候，它变成定时因素。

上述的氧化阴极的这些性质，决定了今后阴极电子学的发展趋势，这个趋势就是将从使用这种阴极过渡到使用高效的热电子发射体的直线阴极，这类发射体是以发射性金属及其合金为基础的。这类直线阴极除可以提高作用速度外，还可保证比氧化阴极有更高的电子流密度，而且有更高的耐久性。虽然如此，但直线灯丝阴极迄今在结构制造方面，尚未充分得到研究。因为它有需同时保证可靠性和耗功率低的问题，而这两个问题是相互矛盾的。因此在当前，制作电子发射仪时，阴极加热组件的制作以解决既可靠又高效的问题还是很现实的。

在当前最现实的问题是一接通电视接受机，立刻同时出现影象和声音的问题，这个问题靠使用直线灯丝可望得到解决。

我们知道，阴极加热组件中结构最简单的为“Funk-Tech-nik，33，NI，1979.S.F.dE，Jahrgang 1-6页（K.M.Tiseher“Einige Problem direct gehei t-er Katoden fur Ferseh Biedrohen”）”。在这种组件里加热元件做成直线型的金属条，在金属条的中心放入热电子发射体，两端与通电的母线相接。

当把此阴极的加热细金属条的灯丝，通上电流。金属条便弯曲、膨胀而降低其弹性，其结果使发射体发生不可控制的位移，而离开仪器的电子光学轴线，停机后又恢复原状。

因为这个缘故，高可靠性和重复性等技术参数就不可能得到保证。

采取了各种手段，把加热元件拉伸以补偿其热膨胀，但问题未能解决。因为这样使其结构复杂化而且短时间失去弹性。此外，把加热元件拉伸还会引起“扩音器”的效果。在此效果中由于各种不同的机械力相互作用于阴极组件，加热元件本身开始发生振动。

我们知道，直线灯丝阴极做电子源（USA4193013），其中有热电子发射体，它是由六硼化镧制成的金属棒，在加热元件中心部位放入此棒，而加热元件是由石墨做成的弧状物。加热元件两端与通电的母线相接，母线装在基座上。

这种结构消耗大量电能（大约为8瓦）使加热元件加热。因而其横截面面积要求大一些，以避免发射体从其原始位置产生位移。

同样我们知道，电子发射仪的阴极加热组件（EP，B，0207772）包含着具有纵向几何轴线的热电子发射体，固定在最少有两个线状的加热元件的中心部位，它们的边缘线段具有相等长度，两端固定在通电的母线上。母线与基座刚性地联接着。在人们所知道的阴极加热组件里，采用两个加热元件，它们的边缘线段与发射体的轴线平行。

用这种结构所制成的阴极加热组件的可靠性不高，当线性的加热元件加热时，其形状不能保持固定。在这种仪器里，发射体安装在仪器的电子光学轴线上的位置，在工作时将会发生改变。因此，这种组件的可靠性不仅取决于发射体本身的性质，一定程度上还与它能否保持其初始位置的情况有关。

本发明的基本思想是，提出为电子发射仪制作一阴极加热组件，把其中的线型加热元件选定安装方式，使它在结构上能保持固定的形状，从而获得工作的可靠性。

所提出的任务是这样完成的，电子发射仪的阴极加热组件含有的热电子发射体，具有纵向几何轴线，安装在只少两个线型加热元件的中心部位上。加热元件的边缘线段具有相等的长度，以其两端固定在导电的母线上，而母线又刚性地固定在基座上。按照本发明，线型加热元件的边缘线段安放位置应与发射体的纵向几何轴线应形成锐角，而将其两端固定在多边形的顶点上，具有两个相互垂直的对称轴，其中之一通过导电母线的轴线，其交点落在发射体的纵向几何轴线上。

理想的电子发射仪的阴极加热组件，最好是有两组支撑，在每组里支撑数目等于线型加热元件数目，而且支撑的一端与线型加热元件的边缘线段的一端相联、而另一端则刚性地联接在两条导电母线中的一条上。这时，一个组的支撑与另一组的支撑在一平面上相对称。此平面既穿过热电子发射体的纵向几何轴线，又穿过多边形上与导电母线轴体相垂直的那条对称轴线。

希望支撑由导电材料制成，其比电阻大于线型加热元件的比电阻。而每根支撑的横截面面积与线型加热元件的横截面面积之比，最少应等于它们的比电阻之比。

每根支撑的长度，按下列关系式确定为宜，

式中，l₂-线型加热元件边缘线段长度

l₁-支撑的长度

T₁-线型加热元件材料熔化温度

T₂-支撑材料的熔化温度

如果每根支撑都具有弧形形状，将会非常有利。

上述电子发射仪阴极加热组件是以下列各点为特征的：在整个运行周期内具有很高的可靠性，做为组件可靠工作的基本因素之一的结构形状的稳定，可借助线型加热元件的几何布置的选择来达到。

利用高欧姆（电阻）材料做支撑还可以提高形状的稳定性，与此同时，当从“冷”的导电母线到“热”的加热元件之间过渡中，它们还可以分担一些热，这样可以降低在此过渡中的温度梯度，从而也降低了从热电子发射体向导电母线的传热。

这样，上述阴极加热组件，一方面具有高机械刚度和温度的稳定性，另一方面又可降低功率消耗并可很快达到工作热状态。

下面将结合图，用对实施例和其实施方法的描述来进一步说明本发明，这些说明如下：

图1表示根据本发明所绘制的电子发射仪阴极加热组件的全貌图;

图2表示根据本发明绘制的图1的平面图;

图3表示图1所示的组件，具有四根直线形的支撑（根据本发明）的均角投影图;

图4仍如图3所示，根据本发明具有三根线型加热元件和六根直线型支撑（均角投影图）;

图5仍如图3所示，根据本发明具有弧形支撑（平面图）;

图6沿支撑和线型加热元件长度，温度分布曲线。

电子发射管的阴极加热组件具有热电子发射体1（图1），该发射体具有纵向几何轴线2，固定在中心段3（以虚线表示的），只少有两条线型加热元件4。

在所述的实施例中有两个加热元件4。其中每一个的边缘线段5具有长度l₁，安装得具有同样锐角α，α为与热电子发射体1的纵向几何轴线2所形成的夹角。两边缘线段5固定在（比如电接触焊）在导电母线6上，而此母线与用电绝缘材料（如瓷）制做的基座7刚性联接。

加热元件4的这种布置，就形成有四个边界的棱体构架，这种结构是刚性的，当加热时和运行过程中可以保证形状稳定，和发射体1的位置固定。

发射体1沿轴向2位移值是常数，而且对具体结构很容易算出，所以在电子发射仪中要很准确地布置发射体1。其边缘段5布置在垂直于几何轴2的平面上的多边形的顶角上（图上是矩形方案）有两个相互垂直的对称轴8（图2），对称轴9。其中之一穿过导电母线6，其交点在几何轴2上（图1）。

增多加热元件4的数目可提高形状的稳定性，从而也提高其可靠性，但使结构复杂化。因此，加热元件4，从实际考虑，最好的选择是两个或三个。

加热元件4用难熔金属制作，比如，钨丝，而热电子发射体1，则用硼化稀土金属，如LaBb。

为进一步提高阴极加热组件结构的刚度和工作效能，就要给它装配支撑10（图3），来支撑加热元件4。支撑10由导电材料制成，其比电阻大于加热元件4材料的比电阻，比如，铬合金，铬镍合金，镍钨锆合金等等。

支撑10分成两组，在每组里支撑10数目等于加热元件4的数目。它们各自的一端都与边缘线段5的一端联接，而另一端则与一条母线6刚性联接。这时，一组支撑10与另一组支撑10相对于一表面对称布置，此表面穿过发射元件1的几何轴线2与多边形的两对称轴8和9中之一（图上表示的为轴线8），而且与轴线9和8垂直。而轴线9和8穿过导电母线6。

在上述实施例中，支撑10由一段直线型导线制做。它把加热元件4的边缘线段5的端头联接到导电母线6上。

图4表示的是阴极加热组件的另一实施例，在此实施例里有三个加热元件4，和相应的六个支撑10，以导电母线6为中心而放射布置着，这样的阴极组件结构，类似于六面的锥体，其棱边就成为加热元件4的边缘线段5。

也可以有这样的设计方案，这种阴极加热组件的支撑10具有圆弧形状（图5）。这种结构可增强发射体在加热时位置的稳定性，因为支撑10的热膨胀（伸长）不会通过锥体构架的棱，传给发射体1，而消耗于沿圆锥母线的位移上了。正如我们已知道的那样，并不会引起锥体顶部位移，而发射体1正是放在锥体顶部的。

不论支撑10的形状和布置如何（图5），它都可以承接长度短、截面小的加热元件4。而支撑10的横截面面积，和加热元件4的横截面面积可根据它们的比电阻的比例进行选择。我们知道，从加热元件4到导电母线6的最小的热损失，产生在当在联合加热元件中所放出的功率为常数时。这里所说的联合加热元件是指由支撑10和加热元件4本身组成的加热元件。这个条件可以通过使单位长度的联合加热元件上的电阻相等的原则来实现。在我们所研究的方案里，我们实际上是采用使支撑10和加热元件4的横截面之比等于他们的比电阻之比，或稍大于这个比值。

加热元件4的边缘线段5的长度和支撑10的长度l₁、l₂的最佳关系的选择，是根据分析加热元件4和支撑10的材料的熔化温度T₁、T₂进行的。

明显可见，支撑10的长度只可以加长到使它与加热元件4的接点处温度不超过T₂为限。这时，更须保证联合加热元件的单位长度电阻相等，而这时它们往外放热量也同样相等。联合加热元件的任一点因导热系数而引起的热损失Ph，由该点到支撑与比它厚实的导电母线6的联接点的距离来决定。（对应于两母线6中之一条的初坐标X＝0）。有下列关系式

式中P_i-放出的热功率，l＝2（l₁+l₂）（加热元件4中心段3的长度因数值很小，可忽略不计）。

联合加热元件任意点上的稳定后的温度T在此条件下，与其热损失成正比，即

式中，K-比例系数，比值K/P_i由在加热元件中心温度T_X相等的条件来确定，即当x＝1/2时，热电子发射体1的工作温度T₀：

由此，

这样，T_（x）的最初表达式为

此式反映在联合加热元件中稳定后的动态平衡，在放出热功率及其由传热而引起的损失之间的动平衡。

图6表示温度在沿联合加热元件长度上的分布曲线。（联合加热元件系指支撑10和加热元件4）。在导电母线6上假定温度等于零。

支撑10与加热元件4的边缘线段的接点的坐标点，由边界条件决定。在此条件中，这个点温度变动值T_（x）等T₂，而在加热元件4的中心处4T₀＝T₁，加上这一考虑，

因此

这样，加热元件4与支撑10联接的最佳点，即长度l₁与加热元件的中心对称布置，其距离为

要寻求的支撑10的长度l₂与加热元件4边缘线段5的长度的最佳比，可由下式求之。

因此，支撑10的长度l₂由下式决定：

如果把支撑10的长度l₂增大超过计算出来的最佳值，就可能导致支撑10在它与加热元件4的联接点上变得软化或熔化的危险。但若减短支撑10的长度l₂比其最佳值短，也不是所希望的，因为支撑10变短后，会引起形状稳定变坏和热损失增加。

上述电子发射仪的阴极加热组件以下列方式工作：

当在导电母线6（图1，2）上接上电压，加热元件4的灯丝就亮了，引起对热电子发射体1的加热直到其工作温度T₀。

这时，发射体1就开始发射电子，在装有阴极加热组件的电子发射仪中形成电子射线。

上述结构的阴极加热组件是非常高速动作的，其准备加热时间大约在1秒钟，因为其加热元件4很短又很粗。

图3到5，所表示的阴极加热组件，以基本上相同的方式工作。其特征为当给导电母线6加上电压后，母线上的温度～100℃，支撑10与加热元件联接端处，被加热到～700℃，而加热元件本身4把发射体1加热到工作温度～1400℃。在此温度下出现热电子发射。这样，装了支撑10后，降低由加热元件4到母线6之间的温度梯度，同时也降低热损失，因而提高了阴极加热组件的工作效能。

在上述整个阴极加热组件里，借助于上述的线型加热元件的几何布置、引入了一定长度和横截面的支撑而形成刚性的结构、提高了在高温情况下的形状稳定性，使组件具有高可靠性和工作效能。

Claims (5)

1、电子发射仪的阴极加热组件，包括热电子发射体(1)，此发射体具有纵向几何轴线(2)，安装在只少有两个线型加热元件(4)的中心部位(3)，其边缘线段(5)具有相等的长度，并以自己的端头与导电母线(6)相接，母线与基座(7)刚性联接；其特征为，其线型加热元件(4)的边缘线段(5)在布置上与热电子发射体(1)的纵向几何轴线(2)夹成锐角(α)，而其端头布置在多边形的顶角，具有两条相互垂直的对称轴线(8，9)，其中的一条穿过导电母线(6)的轴线，其交点在热电子发射体(1)的纵向几何轴线(2)上。

2、权利要求1所述的阴极加热组件，还有下列特征，它具有两组支撑（10），每个组里支撑（10）的数目与线型的加热元件（4）的数目相等，支撑（10）的一端与线型的加热元件（4）的边缘线段（5）的端头相联接，另一端头与一个导电母线（6）刚性联接，这时，一组支撑与另一组支撑布置得以一表面为轴相对称，此表面穿过发射体（1）的纵向几何轴线（2）和多边形的两根对称轴线（8，9）中的一根，这根轴线穿过导电母线（6）的轴线。

3、权利要求2所述的阴极加热组件，还有一特征，支撑（10）由一段导电材料做成的其比电阻大于线型加热元件（4）材料的比电阻，每根支撑（10）的横截面面积与线型加热元件（4）的横截面面积之比，最少应等于这两者的比电阻之比。

4、权利要求2和3所述的阴极加热组件的特征还有，每根支撑（10）的长度（l₂）以下列关系式计算：

其中T₁-线型加热元件（4）材料的熔点温度

T₂-支撑（10）材料的熔点温度

5、权利要求2或3所述阴极加热组件还有以下特征，每根支撑（10）都是圆弧形的。

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