RU2047239C1

RU2047239C1 - Gaseous-discharge device

Info

Publication number: RU2047239C1
Application number: RU93030182A
Authority: RU
Inventors: В.З. Кайбышев
Original assignee: Российский научный центр "Курчатовский институт"
Priority date: 1993-10-20
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: gaseous- discharge device containing barium vapors as additive is composed of two spaces: internal high-temperature one carrying source of barium vapors and system of working electrodes and insulators stable in barium vapors and external sealed one containing case and insulators arranged beyond the line-of shift distance relative to points of unsealed internal space. Value of loss of tightness does not exceed level providing molecular regime of outflow of barium. As a result barium condensates on surface of external case and does not foul insulators. If temperature of external case is high, that is pressure of barium vapors exceeds value permissible for stability of insulators then barium sorbent is placed in path of outflowing barium. EFFECT: prolonged service life and improved stability of operational characteristics. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение касается разработки газоразрядных приборов и может быть использовано при создании термоэмиссионных преобразователей энергии и газоразрядных приборов, например таситронов, тиратронов и диодов, в которых для повышения эмиссии катода используется добавка паров бария. The invention relates to the development of gas-discharge devices and can be used to create thermionic energy converters and gas-discharge devices, for example, tacitrons, thyratrons and diodes, in which barium vapor is used to increase cathode emission.

Известны газоразрядные приборы: термоэмиссионные преобразователи энергии [1] таситроны [2] которые могут быть выбраны в качестве прототипа, содержащие катод, анод, управляющий электрод, изоляторы, рабочий газ, в которых для повышения эмиссии с катода используется добавка паров бария. Последний, адсорбируясь на поверхностях электродов, значительно понижает их работу выхода. Благодаря высокой энергии адсорбции бария на поверхностях тугоплавких металлов давление его паров, необходимое для создания пленки его атомов, значительно понижающей работу выхода электродов, достаточно низкое. Например, для получения работы выхода поверхности молибдена около 2,2 эВ при температуре порядка 1500 К требуется давление всего около 10^-4 торр. При этом плотность тока эмиссии около 10 А/см² при практически неограниченном сроке службы. Благодаря низкому давлению паров и малому сечению взаимодействия с электронами барий не оказывает влияния на рабочий процесс в межэлектродном зазоре и только понижает работу выхода электродов.Known gas-discharge devices: thermionic energy converters [1] tasitrons [2] which can be selected as a prototype, containing a cathode, anode, control electrode, insulators, working gas, in which barium vapor is used to increase emission from the cathode. The latter, adsorbed on the surfaces of the electrodes, significantly reduces their work function. Due to the high energy of barium adsorption on the surfaces of refractory metals, the vapor pressure necessary to create a film of its atoms, which significantly reduces the work function of the electrodes, is quite low. For example, to obtain the work function of the molybdenum surface at about 2.2 eV at a temperature of about 1500 K, a pressure of only about 10 ^-4 torr is required. In this case, the emission current density is about 10 A / cm ² with an almost unlimited service life. Due to the low vapor pressure and small cross section for interaction with electrons, barium does not affect the working process in the interelectrode gap and only reduces the work function of the electrodes.

Однако использованию данного метода увеличения эмиссии катода в реальных конструкциях приборов, которые должны иметь длительный срок службы, мешает низкая коррозионная стойкость многих материалов, особенно изоляционных, в парах бария. В настоящее время отсутствует стойкий в парах бария металлокерамический изоляционный узел. Имеются высокотемпературные изоляционные материалы, стойкие в парах бария, например окись иттрия, окись скандия, алюмонитрид бора. Но герметичное соединение металла с этими материалами (металлокерамический узел) пока отсутствует. С другой стороны, существующие металлокерамические узлы на основе окиси алюминия имеют низкую стойкость в парах бария. Со временем они теряют электрическое сопротивление и герметичность. However, the use of this method of increasing cathode emission in real instrument designs that must have a long service life is hindered by the low corrosion resistance of many materials, especially insulating materials, in barium vapor. Currently, there is no metal-ceramic insulating assembly that is resistant to barium vapor. High temperature insulation materials are available that are resistant to barium vapor, such as yttrium oxide, scandium oxide, boron aluminum nitride. But the tight connection of metal with these materials (cermet unit) is still missing. On the other hand, existing cermet units based on alumina have a low resistance to barium vapor. Over time, they lose electrical resistance and tightness.

Помимо этого, для получения давления паров бария порядка 10^-4 торр все поверхности, контактирующие с барием, должны иметь температуру не ниже температуры насыщенных паров бария при этом давлении, т.е. 750-800 К. Это накладывает дополнительные требования на температурную стойкость металло-керамического узла, во-первых, и исключает использование данных приборов в окислительной окружающей среде, например на воздухе, во-вторых.In addition, to obtain a barium vapor pressure of the order of 10 ^-4 torr, all surfaces in contact with barium must have a temperature not lower than the temperature of saturated barium vapor at this pressure, i.e. 750-800 K. This imposes additional requirements on the temperature resistance of the metal-ceramic unit, firstly, and excludes the use of these devices in an oxidizing environment, for example, in air, and secondly.

Задачей изобретения является увеличение срока службы и стабильности рабочих характеристик газоразрядных приборов, в которых используется в качестве добавки пары бария. The objective of the invention is to increase the service life and stability of the performance of gas-discharge devices in which barium vapor is used as an additive.

Для этого в газоразрядном приборе с использованием паров бария в качестве добавки к рабочему газу, содержащем катод, анод, управляющий электрод, изоляторы, источник паров бария, рабочий газ, расположенные в корпусе, внутри корпуса, выполненного герметичным, сформирован высокотемпературный объем из анода, катода, управляющего электрода, источника паров бария, соединенный изолятором, стойким к парам бария, причем в пределах прямой видимости соединений барий-стойкого изолятора, корпус выполнен охлаждаемым и/или содержит сорбент бария, а изоляторы герметичного корпуса выполнены из материала, стойкого к рабочему газу. For this, in a gas-discharge device using barium vapor as an additive to the working gas containing a cathode, anode, control electrode, insulators, a source of barium vapor, working gas located in the housing, inside the housing, which is sealed, a high-temperature volume is formed from the anode, cathode , a control electrode, a source of barium vapor, connected by an insulator resistant to barium vapor, and within the line of sight of the compounds of the barium-resistant insulator, the housing is made cooled and / or contains barium sorbent, and The sealers of the sealed housing are made of material resistant to the working gas.

В предлагаемом приборе пары бария находятся во внутреннем, высокотемпературном объеме, в котором используются стойкие в атмосфере бария материалы. Этот объем может быть негерметичным, допускается некоторая утечка бария в наружный, герметичный объем. Во внутреннем объеме используются изоляторы, стойкие в парах бария. Свести к минимуму утечки бария можно за счет создания некоторого постоянного усилия поджатия шлифованных поверхностей изоляторов и металлических деталей электродов. Воспользовавшись формулой для проводимости щели при молекулярном истечении [3]
Г

, где а длина; b высота; l глубина щели; Т температура паров бария; М молекулярный вес бария, и применяя эту формулу для кольцевой щели cо следующими размерами: периметр 10 см; высота 10^-4 см, глубина 0,5 см, при давлении паров бария во внутреннем объеме 10^-3 торр расход через такую щель будет около 1,5˙10^-11 г/с. При наличии двух изоляторов и соответственно 4-х щелей получим расход порядка 6˙10^-11 г/с или 2˙10^-2 г за 10 лет работы. При давлении паров 10^-4 торр, что требуется в реальных приборах, даже при размере щели 0,05 мм в течение одного года непрерывной работы израсходуется около 0,5 г бария. Но при таком размере щели нет надобности использовать изоляторы во внутреннем объеме. Сама щель будет выполнять функции изолятора.In the proposed device, barium vapors are in the internal, high-temperature volume, which uses materials resistant to the atmosphere of barium. This volume may be leaky, some leakage of barium into the outer, sealed volume is allowed. In the internal volume, insulators resistant to barium vapor are used. Barium leakage can be minimized by creating some constant force to compress the polished surfaces of the insulators and metal parts of the electrodes. Using the formula for the conductivity of the gap during molecular outflow [3]
G

where a is the length; b height; l slot depth; T is the temperature of barium vapor; M is the molecular weight of barium, and applying this formula for an annular gap with the following dimensions: perimeter 10 cm; height 10 ^-4 cm, depth 0.5 cm, with a pressure of barium vapor in the internal volume of 10 ^-3 Torr, the flow rate through such a gap will be about 1.5˙10 ^-11 g / s. In the presence of two insulators and, accordingly, 4 slots, we obtain a flow rate of about 6˙10 ^-11 g / s or 2˙10 ^-2 g for 10 years of operation. At a vapor pressure of 10 ^-4 torr, which is required in real devices, even with a gap size of 0.05 mm during one year of continuous operation, about 0.5 g of barium will be consumed. But with this size of the gap there is no need to use insulators in the internal volume. The slot itself will act as an insulator.

Вытекающий через негерметичности внутреннего объема барий при молекулярном режиме истечения, который реализуется при указанных давлениях и размерах щели, конденсируется на холодных противолежащих щелям участках наружной оболочки прибора. При температуре наружной оболочки 400-450 К давление паров бария в наружном объеме будет порядка 10^-13-10^-12 торр [4] При таком давлении время для образования монослойного покрытия (толщиной в один слой атомов) на поверхности, имеющей температуру ниже температуры места конденсации бария, будет порядка года. При температуре металлокерамического узла градусов на 50 К выше температуры места конденсации бария монослойное покрытие будет образовано в течение еще большего промежутка времени.The barium flowing out through leaks in the internal volume during the molecular flow regime, which occurs at the indicated pressures and sizes of the gap, condenses on the cold opposite sections of the outer shell of the device. At an outer shell temperature of 400-450 K, the pressure of barium vapor in the outer volume will be of the order of 10 ^-13 -10 ^-12 Torr [4] At this pressure, the time for the formation of a monolayer coating (one atomic layer thick) on a surface having a temperature below the temperature of the place Barium condensation will be on the order of a year. At a temperature of the ceramic-metal node degrees 50 K above the temperature of the site of barium condensation, a monolayer coating will be formed over an even longer period of time.

Для изменения сопротивления изоляции или проявления заметной коррозии интегральный поток бария на поверхность должен соответствовать покрытию на порядки выше монослойного, т.е. ресурс металло-керамического узла в десятки лет будет обеспечен. В предлагаемой конструкции прибора срок службы металлокерамического узла будет выше, чем в известной конструкции, примерно во столько же раз, во сколько давление паров бария во внутреннем объеме выше, чем в наружном, т.е. 10^-4/10^-2 10⁸ раз минимум.To change the insulation resistance or manifest noticeable corrosion, the integral barium flux to the surface should correspond to the coating by orders of magnitude higher than the monolayer, i.e. the resource of the metal-ceramic unit in decades will be provided. In the proposed design of the device, the service life of the cermet unit will be higher than in the known design, about the same time as the pressure of barium vapor in the internal volume is higher than in the external, i.e. 10 ^-4 / 10 ^-2 10 ⁸ times the minimum.

В некоторых приложениях, например в космическом, минимальная температура наружного корпуса может быть достаточно высока, порядка 700-750 К и выше. В этом случае на пути выходящих через негерметичности внутреннего объема атомов бария размещают сорбент бария, например графит, или другой материал, химически активно реагирующий с барием. В этом случае будет достигнута та же цель понижение равновесного давления паров бария в наружном объеме до величины, обеспечивающей необходимый ресурс металлоке- рамического узла. Например, пиролитический графит способен поглотить барий в количестве, равном или больше массы самого графита [5]
На чертеже показана конструкция трехэлектродного газоразрядного прибора цезий-бариевого тасcитрона, в котором в качестве рабочего газа используются пары цезия, а в качестве добавки для повышения эмиссии с катода пары бария.In some applications, for example in space, the minimum temperature of the outer casing can be quite high, of the order of 700-750 K and higher. In this case, barium sorbent, for example graphite, or other material reacting chemically actively with barium is placed on the path of barium atoms leaving through leaks in the internal volume. In this case, the same goal will be achieved by lowering the equilibrium pressure of barium vapor in the external volume to a value that provides the necessary resource of the cermet unit. For example, pyrolytic graphite is able to absorb barium in an amount equal to or greater than the mass of graphite itself [5]
The drawing shows the design of a three-electrode gas-discharge device of cesium-barium tacitron, in which cesium vapor is used as the working gas, and as an additive to increase the emission of barium vapor from the cathode.

В газоразрядном приборе внутренний высокотемпературный объем ограничен катодом 1, анодом 2, управляющим электродом 3 и стойкими в парах бария изоляторами 4. Утечка бария из внутреннего объема ограничена за счет прижатия по плоским поверхностям элементов конструкции катода, управляющего электрода, анода и изоляторов, обеспечиваемого пружиной 5. In a gas-discharge device, the internal high-temperature volume is limited by the cathode 1, the anode 2, the control electrode 3, and insulators that are stable in barium vapor 4. The leakage of barium from the internal volume is limited by pressing the cathode construction elements, the control electrode, the anode, and the insulators provided by the spring 5 on flat surfaces .

Герметичная оболочка наружного объема состоит из корпуса 6, электрически связанного с управляющим электродом, двух металлокерамических узлов 7 и 8, электроизолирующих управляющий электрод от катода и анода, сильфонов 9 и 10, обеспечивающих компенсацию различных термических расширений элементов конструкции и позволяющих увеличивать проходное сечение для откачки газов из внутреннего объема в процессе обезгаживания прибора, крышки 11, на которой крепится катодный нагреватель 12, патрубка 13, служащего для передачи тепла от анода к радиатору 14 и для откачки прибора в процессе обезгаживания. Полость катода, в которой размещается нагреватель, вакуумно изолирована от остальных объемов и откачивается при обезгаживании через патрубок 15. The hermetic shell of the outer volume consists of a housing 6, electrically connected to the control electrode, two ceramic-metal assemblies 7 and 8, electrically insulating the control electrode from the cathode and anode, bellows 9 and 10, which compensate for various thermal expansions of the structural elements and allow increasing the flow area for pumping gases from the internal volume during the process of degassing the device, the cover 11, on which the cathode heater 12 is mounted, the pipe 13, which serves to transfer heat from the anode to the radiator 14 and for pumping the device in the process of degassing. The cavity of the cathode in which the heater is placed is vacuum isolated from the rest of the volumes and is pumped out during degassing through the pipe 15.

Для уменьшения утечки тепла с рабочего плоского участка катода его боковые тонкостенные цилиндрические элементы имеют бифилярную конструкцию. Источник 16 бария размещается во внутреннем высокотемпературном объеме в области, где температура соответствует необходимому давлению насыщенных паров бария. Источник 17 цезия расположен в наружном объеме и локализован в месте, где температура соответствует необходимому давлению его паров для данного источника паров цезия. Для уменьшения чувствительности давления паров цезия к температуре его источника последний выполнен из цезированного графита. Благодаря более высокому давлению паров цезия и отсутствию его поглотителей негерметичность внутреннего объема обеспечивает равенство давления паров цезия в наружном и внутреннем объеме. To reduce heat leakage from the working flat portion of the cathode, its lateral thin-walled cylindrical elements have a bifilar design. Barium source 16 is located in the internal high-temperature volume in the region where the temperature corresponds to the required pressure of saturated barium vapor. The source of cesium 17 is located in the outer volume and is localized in the place where the temperature corresponds to the required vapor pressure for a given source of cesium vapor. To reduce the sensitivity of the vapor pressure of cesium to the temperature of its source, the latter is made of cesium graphite. Due to the higher vapor pressure of cesium and the absence of its absorbers, the leakage of the internal volume ensures the equality of the vapor pressure of cesium in the external and internal volume.

Барий, вытекающий через негерметичности внутреннего объема, конденсируется на близлежащих холодных поверхностях корпуса 6, либо при высокой температуре корпуса поглощается сорбентом 18, расположенным между местами утечки бария и металло-керамическими узлами наружного корпуса. Barium flowing out through leaks in the internal volume condenses on nearby cold surfaces of the casing 6, or at high temperature of the casing it is absorbed by sorbent 18 located between the barium leak points and the ceramic-metal components of the outer casing.

П р и м е р. После сборки прибора при отсутствии пружины 5 между верхним изолятором 4 и поджимающим его буртиком анода 2 имеется зазор, через который производится вакуумирование внутреннего объема прибора. Откачка производится через верхний наконечник патрубка 13. Внутренняя полость катода 1 с размещенным в ней нагревателем 12 откачивается через патрубок 15. При непрерывной откачке постепенно увеличивают подводимую к нагревателю 12 электрическую мощность, повышая температуру всех частей прибора и тем самым производя его обезгаживание. PRI me R. After assembly of the device, in the absence of a spring 5, there is a gap between the upper insulator 4 and the anode 2 flange that compresses it, through which the internal volume of the device is evacuated. Pumping is carried out through the upper tip of the nozzle 13. The internal cavity of the cathode 1 with the heater 12 located in it is pumped out through the nozzle 15. During continuous pumping, the electric power supplied to the heater 12 is gradually increased, increasing the temperature of all parts of the device and thereby degassing it.

К концу процесса обезгаживания температуру всех частей прибора доводят до уровня выше номинальной величины и выдерживают до падения газовыделения до определенного уровня. Затем понижают подводимую к нагревателю 12 мощность до номинальной величины и через патрубок 13 вводят в прибор пары цезия, который поглощается графитом, расположенным внутри корпуса прибора. В конце процесса насыщения графита цезием давление подводимых его паров устанавливают равным номинальной величине (5˙10^-3-10^-2 торр) и выдерживают до получения соответствующего равновесного состояния графитового источника. Прекращают подачу паров цезия, выключают нагреватель и производят отпайку прибора от вакуумной системы (герметизируют откачные патрубки 13 и 15). Вставляют пружину 5, тем самым поджимая сопрягаемые поверхности электродов и изоляторов и разобщая внутренний объем от остальной части прибора.By the end of the degassing process, the temperature of all parts of the device is brought to a level above the nominal value and maintained until the gas evolution drops to a certain level. Then, the power supplied to the heater 12 is reduced to a nominal value and cesium vapor is introduced into the device through the pipe 13, which is absorbed by graphite located inside the device body. At the end of the process of saturation of graphite with cesium, the pressure of its vapor is set equal to the nominal value (5˙10 ^-3 -10 ^-2 torr) and maintained until the corresponding equilibrium state of the graphite source is obtained. Stop the supply of cesium vapor, turn off the heater and make the device unsolder from the vacuum system (seal the pump nozzles 13 and 15). Insert the spring 5, thereby pressing the mating surfaces of the electrodes and insulators and disconnecting the internal volume from the rest of the device.

Включение для работы производят следующим образом. Inclusion for work is as follows.

Производят соответствующие подключения к электрическим цепям: корпусу (катод 1), анодному источнику (анод 2), генератору управляющих импульсов (управляющий электрод 3), источнику питания (нагреватель 12). Make the appropriate connections to the electrical circuits: the case (cathode 1), the anode source (anode 2), the control pulse generator (control electrode 3), the power source (heater 12).

Постепенно выводят мощность нагревателя на номинальный уровень и выдерживают в течение времени, необходимого для установления теплового равновесия (от 15 до 30 мин). Разность температурных расширений отдельных деталей прибора компенсируется сильфонами 9 и 10. Необходимое давление паров бария (10^-4-10^-3 торр) во внутреннем объеме поддерживается за счет разогрева паров бария 16 источника до равновесной температуры 700-750 К, давление паров цезия (5˙10^-3-10^-2 торр) за счет равновесной температуры источника 17 цезия. Пары цезия из источника попадают во внутренний объем через естественные негерметичности между сопрягаемыми поверхностями изоляторов 4 и электродов 1-3. После достижения теплового равновесия включают анодный источник и генератор управляющих импульсов. Прибор начинает модулировать ток в анодной цепи в соответствии с частотой и продолжительностью управляющих импульсов. Прохождение тока несколько изменяет температурный режим прибора: падает температура катода и увеличивается температура анода. В связи с этим несколько изменяется и температура остальных частей прибора, в том числе источников цезия и бария. Расположение этих источников обеспечивает им температурный интервал, в пределах которого давление паров цезия и бария не выходит из рабочего диапазона.Gradually bring the power of the heater to the nominal level and maintain for the time necessary to establish thermal equilibrium (from 15 to 30 minutes). The difference in temperature expansions of individual parts of the device is compensated by bellows 9 and 10. The necessary pressure of barium vapor (10 ^-4 -10 ^-3 torr) in the internal volume is maintained by heating the vapor of barium 16 of the source to an equilibrium temperature of 700-750 K, the pressure of cesium vapor (5 ˙10 ^-3 -10 ^-2 Torr) due to the equilibrium temperature of the source of 17 cesium. Cesium vapors from the source enter the internal volume through natural leaks between the mating surfaces of insulators 4 and electrodes 1-3. After reaching thermal equilibrium, an anode source and a control pulse generator are turned on. The device begins to modulate the current in the anode circuit in accordance with the frequency and duration of the control pulses. The passage of current slightly changes the temperature regime of the device: the temperature of the cathode decreases and the temperature of the anode increases. In this regard, the temperature of the remaining parts of the device, including sources of cesium and barium, also changes somewhat. The location of these sources provides them with a temperature range within which the vapor pressure of cesium and barium does not leave the operating range.

Избыток подводимого к аноду тепла сбрасывается с помощью радиатора 14. В номинальном режиме модуляции тока типичные величины температур следующие: катод 1 (1300-1500 К) (в зависимости от эмиссионных свойств материала катода), управляющий электрод 3 (800-1000 К), анод 2 (800-1500 К) (рабочие характеристики прибора не чувствительны к температуре анода), изоляторы 4 внутреннего объема (850-1500 К), изоляторы 7 и 8 и детали 6,9,10,11 и 13 наружного корпуса не ниже 400 К (верхний предел температуры зависит от варианта исполнения прибора высокотемпературный или низкотемпературный). В процессе работы прибора часть бария через негерметичности по сопрягаемым поверхностям изоляторов 4 и электродов 1-3 будет выходить из внутреннего объема и конденсироваться на охлаждаемых поверхностях корпуса 6 (в низкотемпературном исполнении прибора) или поглощаться сорбентом 18 (в высокотемпературном исполнении прибора). Это защищает изоляторы 7 и 8 от контакта с барием и одновременно обеспечивает гетерирование остаточных или появившихся в процессе работы газов сконденсированным барием. The excess heat supplied to the anode is discharged using a radiator 14. In the nominal current modulation mode, typical temperatures are as follows: cathode 1 (1300-1500 K) (depending on the emission properties of the cathode material), control electrode 3 (800-1000 K), anode 2 (800-1500 K) (instrument performance is not sensitive to the temperature of the anode), insulators 4 of internal volume (850-1500 K), insulators 7 and 8 and parts 6,9,10,11 and 13 of the outer casing not lower than 400 K (the upper temperature limit depends on the version of the device high temperature or low temperature rn). During the operation of the device, part of the barium, through leaks on the mating surfaces of insulators 4 and electrodes 1-3, will exit the internal volume and condense on the cooled surfaces of the housing 6 (in the low-temperature version of the device) or absorbed by sorbent 18 (in the high-temperature version of the device). This protects the insulators 7 and 8 from contact with barium and at the same time ensures the heterogenization of residual or condensed barium gases that appear during operation.

Таким образом, при реализации данного предложения решается задача увеличения срока службы и стабильности рабочих характеристик прибора. Thus, the implementation of this proposal solves the problem of increasing the service life and stability of the instrument performance.

Claims

1. DISCHARGE INSTRUMENT in a sealed housing using barium vapor as an additive to the working gas, containing a source of barium vapor, working gas, cathode, anode, control electrode, insulators resistant to the working gas, characterized in that a closed high-temperature volume is formed inside the housing with a pressure of barium vapor greater than in the housing, and containing a source of barium vapor, an anode, a cathode, a control electrode connected by insulators, resistant to barium vapor.

2. The device according to claim 1, characterized in that within the line of sight of barium of the resistant insulator, the housing is made cooled and / or contains barium sorbent.