RU168427U1

RU168427U1 - Straight metal cathode

Info

Publication number: RU168427U1
Application number: RU2016129072U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Петрович Бельский; Павел Дмитриевич Бельский; Владислав Дмитриевич Бельский; Владимир Фёдорович Бусаров
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Фон"
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Полезная модель относится к области электровакуумной техники. Прямонакальный металлический катод выполнен из двух проволок, одна из которых в виде спирали охватывает другую проволоку. Проволока в виде спирали намотана на другую проволоку с шагом расположения ее витков на первой проволоке большим по величине, чем диаметр проволоки, виде спирали. При этом концы проволок попарно (с каждой стороны концов) электрически между собой соединены. 4 ил.The utility model relates to the field of electrovacuum technology. The straight metal cathode is made of two wires, one of which in the form of a spiral covers the other wire. The wire in the form of a spiral is wound on another wire with the pitch of its turns on the first wire larger than the diameter of the wire, in the form of a spiral. In this case, the ends of the wires are pairwise (on each side of the ends) electrically connected to each other. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к области электровакуумной техники и вакуумной микроэлектроники, точнее к прямонакальным катодам приборов.The utility model relates to the field of electrovacuum technology and vacuum microelectronics, more precisely to direct-heating cathodes of devices.

Известны прямонакальные металлические катоды, используемые в рентгеновских трубках различного типа и назначения. Как правило, такие катоды конструктивно выполнены в виде петли, спирали, биспирали различных размеров.Directly heated metal cathodes used in x-ray tubes of various types and purposes are known. As a rule, such cathodes are structurally made in the form of loops, spirals, bispirals of various sizes.

Прямонакальные катоды выполняют различной формы из тонкой проволоки или ленты, которую закрепляют в массивных держателях, подсоединяемых к источнику тока накала. Прямонакальные катоды из чистых металлов используются относительно редко, например, в электрометрических и мощных электронных лампах с высоким анодным напряжением, так как они наиболее стойки к разрушению под действием бомбардировки ионов, возникающих за счет ионизации остаточных газов в рабочем пространстве. Прямонакальный катод может быть из чистого металла с оксидным покрытием. Прямонакальные катоды маломощных ламп питаются постоянным током, а подогревные могут питаться также переменным током, поскольку они имеют большую массу и тепловую инерцию. Прямонакальные катоды разогревают током, проходящим непосредственно по проволоке, эмитирующей электроны.Straight cathodes are made of various shapes from a thin wire or tape, which is fixed in massive holders connected to a glow current source. Pure metal cathodes are relatively rarely used, for example, in electrometric and high-power electron tubes with high anode voltage, since they are most resistant to destruction under the bombardment of ions arising from the ionization of residual gases in the working space. The direct cathode may be pure oxide coated metal. The direct cathodes of low-power lamps are supplied with direct current, while the heated cathodes can also be supplied with alternating current, since they have a large mass and thermal inertia. Straight cathodes are heated by current passing directly through a wire emitting electrons.

Например, для длиннофокусных рентгеновских трубок изготавливаются катоды в виде моноспирали из вольфрамовой проволоки с различными присадками или активировкой поверхности для уменьшения работы выхода электронов и снижения рабочей температуры. При использовании чистого вольфрама катоды имеют высокую рабочую температуру, а для получения достаточного тока эмиссии спираль становится значительных размеров из-за необходимости развить рабочую поверхность. В этом случае узел катода состоит из коротких отрезков спирали, соединенных последовательно и установленных на отдельных изолированных стойках.For example, for long-focus x-ray tubes, cathodes are made in the form of a monospiral of tungsten wire with various additives or surface activation to reduce the electron work function and reduce the operating temperature. When using pure tungsten, the cathodes have a high working temperature, and to obtain a sufficient emission current, the spiral becomes significant due to the need to develop a working surface. In this case, the cathode assembly consists of short spiral segments connected in series and mounted on separate insulated racks.

Так, известен прямонакальный катод спиральной формы, изготовленный из чистого вольфрама. Такой катод обеспечивает нужную для его применения в магнетроне эмиссию при температурах, превышающих 2400°К, что приводит к перегреву как самого катода, так и деталей прибора. Вследствие этого, вольфрамовые катоды наименее экономичны, долговечность таких катодов не более 1000 ч, применение их ограничено.Thus, a direct-heating spiral-shaped cathode made of pure tungsten is known. Such a cathode provides the emission necessary for its use in a magnetron at temperatures exceeding 2400 ° K, which leads to overheating of both the cathode itself and the parts of the device. As a result, tungsten cathodes are the least economical, the durability of such cathodes is not more than 1000 hours, their use is limited.

На практике приходится искать компромиссное решение для выполнения противоречивых требований: необходимой величины эмиссионного тока, минимально возможной рабочей температуры, требуемых в отдельных случаях значительных, линейных размеров катода, заданных параметров напряжения и тока накала и возможно большей долговечности или продолжительности работы.In practice, it is necessary to find a compromise solution to meet conflicting requirements: the required value of the emission current, the lowest possible operating temperature, the significant, linear dimensions of the cathode, the specified voltage and current parameters, and the longest possible duration or duration of operation, required in some cases.

Известны также прямонакальные катоды, когда при минимальных размерах для увеличения эмиссионной поверхности на основную проволоку катода навивают другую меньшего или такого же диаметра вплотную виток к витку, оставляя очень малые концы для контакта с выводами. В этом случае короткий отрезок основной проволоки является нагревательным элементом, а навитая проволока увеличивает эмиссионную поверхность.Direct filament cathodes are also known when, at minimum dimensions, to increase the emission surface, another smaller or the same diameter is wound round to round to the main cathode wire, leaving very small ends for contact with the leads. In this case, a short length of the main wire is a heating element, and a wound wire increases the emission surface.

Известна конструкция катода для рентгеновского излучателя, в которой на основную проволоку катода навивают другую меньшего диаметра, вплотную виток к витку (WO 2009060762). В US 2007090744 описан спиральный катод для рентгеновской трубки. Также известны конструкции катодов косвенного накала, в которых на основную проволоку катода навивают, с определенным шагом, другую проволоку меньшего диаметра (US 4886995, US 5066885).A known cathode design for an x-ray emitter, in which another smaller diameter is wound onto the cathode main wire, is wound close to the turn (WO 2009060762). US 2007090744 describes a spiral cathode for an X-ray tube. Indirect glow cathode designs are also known in which another wire of a smaller diameter is wound, with a certain pitch, on a cathode main wire (US 4,886,995, US 5,066,885).

Так же известен прямонакальный катод, выполненный из двух проволок одинакового диаметра, при этом одна из проволок выполнена прямой, а другая в виде спирали обмотана вокруг первой проволоки так, что витки спирали расположены на расстоянии друг от друга в несколько раз большем, чем диаметр проволоки спирали, и на расстоянии от прямой проволоки, значительно большем, чем диаметр проволоки спирали, а концы обеих проволок с одной стороны электрически между собой соединены (US 4176293, H01J 1/15, опубл. 27.11.1979). Это решение принято в качестве прототипа.A direct cathode made of two wires of the same diameter is also known, one of the wires being straight and the other in a spiral wrapped around the first wire so that the turns of the spiral are spaced several times larger than the diameter of the spiral wire , and at a distance from the straight wire, much larger than the diameter of the spiral wire, and the ends of both wires are electrically connected to each other on one side (US 4176293, H01J 1/15, publ. 11/27/1979). This decision is made as a prototype.

Из практики конструирования прямонакальных катодов известно, что ток эмиссии резко зависит от температуры нагрева тела катода. Но одновременно с нагревом происходит отдача энергии в окружающее пространство и для поддержания заданной температуры приходится принимать дополнительные меры.From the practice of designing direct-heating cathodes, it is known that the emission current sharply depends on the heating temperature of the cathode body. But simultaneously with heating, energy is transferred to the surrounding space and additional measures have to be taken to maintain a given temperature.

Например, помещать катод в тепловой экран и возвращать излученную энергию на катод, либо изменять конструкцию катода, например, сокращать размеры спирали катода за счет уменьшения шага навивки, что приводит к подогреву соседних витков за счет излученной энергии.For example, put the cathode in the heat shield and return the radiated energy to the cathode, or change the design of the cathode, for example, reduce the size of the spiral of the cathode by reducing the winding pitch, which leads to heating of the neighboring turns due to the radiated energy.

Но такой прием приводит к сокращению размеров и протяженный катод в этом случае набирают из отдельных коротких спиралей, а для обеспечения требуемого тока эмиссии приходится увеличивать температуру со всеми отрицательными последствиями.But this technique leads to a reduction in size and the extended cathode in this case is drawn from separate short spirals, and to ensure the required emission current, the temperature has to be increased with all the negative consequences.

В известном решении из-за отсутствия контакта между проволоками и из-за значительного расстояния между витками спиральной проволоки значительная часть отдаваемой при нагреве энергии уходит в окружающую среду, что привело к необходимости формирования экрана.In the known solution, due to the lack of contact between the wires and due to the significant distance between the turns of the spiral wire, a significant part of the energy given out during heating goes into the environment, which led to the need to form a screen.

В полезной модели ставится задача по созданию такой конструкции катода, которая позволила бы при одинаковых параметрах накала (напряжении и тока) иметь более низкую рабочую температуру, тот же или больший эмиссионный ток, большую механическую прочность и долговечность при простоте конструктивного исполнения.In the utility model, the task is to create a cathode design that would allow for the same incandescent parameters (voltage and current) to have a lower operating temperature, the same or greater emission current, greater mechanical strength and durability with simplicity of design.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении долговечности за счет формирования условий работы при более низкой рабочей температуре и при большом эмиссионном токе.This utility model is aimed at achieving a technical result consisting in increasing durability due to the formation of operating conditions at a lower operating temperature and at a large emission current.

Указанный технический результат достигается тем, что прямонакальный катод выполнен из двух проволок одинакового или различного диаметров, при этом одна из проволок намотана на другую в виде спирали с шагом больше ее диаметра, а концы обеих проволок попарно электрически соединены.The specified technical result is achieved by the fact that the direct cathode is made of two wires of the same or different diameters, while one of the wires is wound on the other in the form of a spiral with a pitch greater than its diameter, and the ends of both wires are pairwise electrically connected.

В прямонакальном металлическом катоде одна из проволок может быть выполнена прямой, а другая проволока в виде спирали может быть выполнена с диаметром, меньшим или большим диаметра прямой проволоки. Возможно так же исполнение, что диаметры всех проволок одинаковые или одна из проволок может быть выполнена в виде спирали, а другая проволока при этом намотана на витки первой проволоки для образования биспирали.In a straight-hot metal cathode, one of the wires can be straight and the other wire in the form of a spiral can be made with a diameter smaller or larger than the diameter of the straight wire. It is also possible that the diameters of all the wires are the same or one of the wires can be made in the form of a spiral, while the other wire is wound on the turns of the first wire to form a double helix.

Сущность заявленного предложения заключается в особенности конструкции прямонакального катода, в которой, прежде всего, увеличивается механическая прочность и устойчивость, обеспечивается более низкая рабочая температура, развивается эмитирующая поверхность и масса рабочего тела и в совокупности увеличивается токоотдача, надежность и долговечность.The essence of the claimed proposal lies in the design of the direct-heating cathode, in which, first of all, the mechanical strength and stability are increased, a lower working temperature is provided, the emitting surface and the mass of the working fluid are developed, and collectively, the current output, reliability and durability are increased.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.This useful model is illustrated by specific examples of execution, which, however, are not the only possible ones, but clearly demonstrate the possibility of achieving the desired technical result.

На фиг. 1 - первый пример исполнения прямонакального катода;In FIG. 1 is a first embodiment of a straight filament cathode;

фиг. 2 - второй пример исполнения прямонакального катода;FIG. 2 is a second example of a direct-heating cathode;

фиг. 3 - представлен пример исполнения прямонакального катода в виде биспирали;FIG. 3 - presents an example of a direct-heating cathode in the form of a bispiral;

фиг. 4 - пример исполнения прямонакального биспирального катода сформированного в спираль.FIG. 4 is an example of a straight bispiral cathode formed into a spiral.

Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструктивное решение прямонакального металлического катода, выполняемого из двух проволок 1 и 2 одинакового или различного диаметров, при этом одна из проволок 2 намотана на другую проволоку 1 в виде спирали с шагом td больше ее диаметра, а концы обеих проволок попарно электрически соединены.According to this utility model, a constructive solution is considered of a straight-heated metal cathode made of two wires 1 and 2 of the same or different diameters, while one of the wires 2 is wound on the other wire 1 in the form of a spiral with a pitch td greater than its diameter, and the ends of both wires are pairwise electrically connected.

В общем случае прямонакальный металлический катод представляет собой элемент вакуумного прибора, который выполняется из двух проволок, одна из которых в виде спирали охватывает другую проволоку. Проволока в виде спирали намотана на другую проволоку с шагом расположения ее витков на первой проволоке большим по величине, чем диаметр проволоки, виде спирали. А концы проволок с одной и другой сторон электрически между собой соединены (попарно электрически соединены с образованием параллельного соединения).In the general case, the direct-heating metal cathode is an element of a vacuum device that is made of two wires, one of which encompasses the other wire in the form of a spiral. The wire in the form of a spiral is wound on another wire with the pitch of its turns on the first wire larger than the diameter of the wire, in the form of a spiral. And the ends of the wires on one and the other sides are electrically connected to each other (pairwise electrically connected to form a parallel connection).

Как вариант исполнения, показанный на фиг. 1, в прямонакальном металлическом катоде одна из проволок выполнена прямой, а другая проволока в виде спирали выполнена с диаметром, меньшим диаметра прямой проволоки.As an embodiment, shown in FIG. 1, in a straight-hot metal cathode, one of the wires is straight and the other wire in the form of a spiral is made with a diameter smaller than the diameter of a straight wire.

Как вариант исполнения, показанный на фиг. 2, в прямонакальном металлическом катоде одна из проволок выполнена прямой, а другая проволока в виде спирали выполнена с диаметром, большим диаметра прямой проволоки.As an embodiment, shown in FIG. 2, in a straight-hot metal cathode, one of the wires is made straight and the other wire in the form of a spiral is made with a diameter larger than the diameter of the straight wire.

Особенностью конструкции является также то, что в зависимости от конкретных требований, предъявляемых к катоду в целом, он может быть выполнен и в форме биспирали. Для этого в прямонакальном металлическом катоде одна из проволок выполнена в виде спирали, а другая проволока намотана на витки первой проволоки (фиг. 3). Катод, выполненный в виде биспирали, может иметь различную форму. На фиг. 4 показан пример исполнения биспирального катода сформированного в спираль.A design feature is also that, depending on the specific requirements for the cathode as a whole, it can also be made in the form of a bispiral. For this, in a direct-burning metal cathode, one of the wires is made in the form of a spiral, and the other wire is wound on the turns of the first wire (Fig. 3). The cathode, made in the form of a bispiral, can have a different shape. In FIG. 4 shows an example of a bispiral cathode formed into a spiral.

Электрическая схема предложенной конструкции катода представляет собой параллельно соединенные два сопротивления разной величины. Так как сопротивление отрезка проволоки изменяется прямопропорционально длине проводника и обратно пропорциональна квадрату диаметра, то не трудно рассчитать условия, при которых влияние второй спирали на величину суммарного сопротивления было бы малым.The electrical circuit of the proposed design of the cathode is a parallel connected two resistance of different sizes. Since the resistance of the wire segment varies in direct proportion to the length of the conductor and is inversely proportional to the square of the diameter, it is not difficult to calculate the conditions under which the influence of the second spiral on the total resistance would be small.

Этими условиями будут следующие: отношения диаметров «D» первой проволоки, к диаметру «d» проволоки второй, должно быть от 1 до 5, а длина отрезка второй проволоки рассчитывается и подбирается из конкретной задачи для получения эмиссионного тока катода и температуры нагрева, но она всегда значительно превышает длину первого отрезка от 3 до 10 раз.These conditions will be as follows: the ratio of the diameters “D” of the first wire to the diameter “d” of the second wire should be from 1 to 5, and the length of the length of the second wire is calculated and selected from a specific task to obtain the cathode emission current and heating temperature, but it always significantly exceeds the length of the first segment from 3 to 10 times.

Работа предлагаемого нами катода происходит следующим образом. При подаче электропитания на катод происходит его нагрев с одновременным излучением части энергии за пределы катода. Однако в силу того, что поверхность тела накала катода сформирована из витков второй спирали, намотанной на вторую проволоку, то излучаемая ими энергия в значительной степени попадает на эти же витки, так как они располагаются на близком расстоянии друг от друга. За счет этого температура тела катода повышается. В случае навивки спирали из такой двойной проволоки шаг ее намотки может быть увеличен для достижения требуемой рабочей температуры катода и размеры такого спирального катода будут более протяженные.The work of our cathode is as follows. When power is supplied to the cathode, it heats up with the simultaneous emission of part of the energy outside the cathode. However, due to the fact that the surface of the cathode glow body is formed from the turns of the second spiral wound on the second wire, the energy emitted by them largely falls on the same turns, since they are located at a close distance from each other. Due to this, the cathode body temperature rises. In the case of winding a spiral from such a double wire, its winding pitch can be increased to achieve the required working temperature of the cathode and the dimensions of such a spiral cathode will be more extended.

Из практики конструирования прямонакальных катодов известно, что ток эмиссии редко зависит от температуры нагрева тела катода. Но одновременно с нагревом катода происходит отдача им энергии в окружающее пространство, что требует дополнительных затрат на накал.From the practice of designing direct-heating cathodes, it is known that the emission current rarely depends on the heating temperature of the cathode body. But at the same time as the cathode is heated, energy is given to them in the surrounding space, which requires additional heating costs.

Если поместить катод в тепловой экран, который возвращает часть энергии к телу катода, то его температура возрастает и, следовательно, возрастает ток эмиссии. Но возможно и другое решение. А именно, за счет экранирования увеличить поверхность катода и за счет того снизить температуру его нагрева, в тоже время увеличив ток эмиссии, уменьшить распыляемость его материала и тем самым увеличить долговечность.If you place the cathode in a heat shield that returns part of the energy to the body of the cathode, then its temperature increases and, therefore, the emission current increases. But another solution is possible. Namely, by shielding, increase the surface of the cathode and thereby reduce its heating temperature, while at the same time increasing the emission current, reducing the atomization of its material and thereby increasing durability.

Именно это достигается в предлагаемой нами конструкции, где роль теплового экрана играет вторая спираль, намотанная на первую с шагом, немного превышающим, до 1,5-2 раз, диаметр намотанной проволоки.This is precisely what is achieved in our design, where the role of the heat shield is played by the second spiral wound on the first with a step slightly exceeding, up to 1.5-2 times, the diameter of the wound wire.

Степень влияния второй спирали на температуру всего катодного узла возможно менять, подбирая диаметр второго провода и шаг его намотки. Кроме того, изготавливая катод в виде биспирали из двойной спирали можно добиваться самоэкранирования при нагреве за счет изменения шага биспирали. Это позволит в ряде случаев использовать тело катода не из отрезков спиралей, соединенных последовательно, а в виде единой спирали, размещенной в цилиндрических изоляторах с компенсацией ее удлинения за счет температуры и устранения ее провисания между стойками изоляторов.The degree of influence of the second helix on the temperature of the entire cathode assembly can be changed by selecting the diameter of the second wire and its winding pitch. In addition, by making the cathode in the form of a double helix from a double helix, self-shielding during heating can be achieved by changing the pitch of the double helix. This will make it possible in some cases to use the cathode body not from segments of spirals connected in series, but in the form of a single spiral placed in cylindrical insulators with compensation for its elongation due to temperature and elimination of its sagging between the insulator racks.

Таким образом, предлагаемая нами конструкция прямонакального катода, использующая двойную намотку проводников один на другой и формирование тела катода в виде спирали или биспирали позволила увеличить эмиссию тока, снизить температуру, развить рабочую поверхность и количество материала катода и тем самым увеличить надежность и долговечность катода и всего прибора в целом.Thus, the direct filament cathode design that we use, using double winding of the conductors one on top of another and the formation of the cathode body in the form of a spiral or double helix, made it possible to increase current emission, lower the temperature, develop the working surface and the amount of cathode material, and thereby increase the reliability and durability of the cathode and all device as a whole.

Claims

1. A straight metal cathode made of two wires, one of which in the form of a spiral covers the other wire, while the ends of both wires on one side are electrically connected to each other, characterized in that the wire in the form of a spiral is wound on another wire with a pitch of its location turns on the first wire larger than the diameter of the wire, in the form of a spiral, while the ends of the wires on the other hand are electrically connected to each other.

2. A straight metal cathode according to claim 1, characterized in that one of the wires is made straight, and the other wire in the form of a spiral is made with a diameter smaller than the diameter of the straight wire.

3. A straight metal cathode according to claim 1, characterized in that one of the wires is made straight, and the other wire in the form of a spiral is made with a diameter larger than the diameter of the straight wire.

4. A straight metal cathode according to claim 1, characterized in that one of the wires is made in the form of a spiral, and the other wire is wound on the turns of the first wire to form a double helix.

5. A straight-walled metal cathode according to claim 1, characterized in that the step of the turns of the wire in the form of a spiral is 1.5-2 times larger than the diameter of its wire.