Министерство науки и образования РФ 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 

Кафедра Электронных приборов (ЭП) 
 
 
 
 

РАСЧЕТ  И КОНСТРУИРОВАНИЕ КАТОДНОГО  УЗЛА 

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине

"Вакуумная  и плазменная техника " 
 

                                                                           Студент гр. 359-2

  ________  Горбачев В. С.

  «____»________2011 

                                                                    Руководитель

                                                                       доцент каф. ЭП

___________ Аксенов А.И.

                                                                                 «____»________2011 
 

2011            

РЕФЕРАТ

     Курсовой проект 15 с., 4 источника, 1 л. графич. материала.

     ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ,  ПРЯМОНАКАЛЬНЫЙ КАТОД, КАТОДНЫЙ УЗЕЛ,   РАБОЧАЯ ТЕМПЕРАТУРА, ИДЕАЛЬНЫЙ КАТОД,  РАСЧЕТЫ,  РЕАЛЬНЫЙ КАТОД,  ДЕРЖАТЕЛИ,  МОЩНОСТИ КАТОДНОГО УЗЛА.

     Объектом исследования являются термокатоды, использующиеся как источники электронов в вакуумной технике.

     Цель  работы – расчет и конструирование  катодного узла, при заданных  начальных параметрах. Таких как,  материал катода и значение  необходимого тока эмиссии. 

     В  процессе работы проводились расчеты параметров катодного узла и его возможной конструкции.

     В  результате работы были рассчитаны  параметры идеального и реального  катода, также были вычислены размеры держателей и выполнен общий чертеж устройства.

     Эффективность устройства определяется временем работы, малой величиной напряжения накала и большим значением тока эмиссии.

     Катодный  узел может применяться в электровакуумных  установках, обеспечивая ток эмиссии,  обусловленный характеристиками  катода.

     Курсовой проект выполнен в текстовом редакторе Microsoft Word 2003. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ANNOTATION

     The course project 15p, 4 seeds, 1 l. graph. material.

     THERMOELECTRONIC EMISSION. FILAMENT.  CATHODE PACK.  WORKING TEMPERATURE. IDEAL CATHODE. REALY CATHODE. HOLDERS. OUTPUTS.

    Object of research are cathods, used as sources electrons in vacuum engineering.

     The purpose of work - account and designing cathode of unit, at the given initial parameters. Such as, material of the cathode and importance of a necessary current of issue.

     During work the accounts of parameters cathode of unit and  its possible design were carried out.

     As a result of work the parameters of the ideal and real cathode were designed, the sizes of the holders also were calculated and the general drawing of the device is executed.

     The efficiency of the device is determined by an operating time, small size of a voltage of heat and large meaning  of a current of issue.

     Cathod of unit can be applied in electrovacuum equipments, providing a current of issues caused by the characteristics of the cathode.

     The course project is executed in the text editor Microsoft Word 2003.

Министерство  образования и науки РФ 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ  УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) 

Кафедра Электронных Приборов 

                                                                                           УТВЕРЖДАЮ

                                                                                           зав. кафедрой ЭП

                                                                                                          С. М. Шандаров

                                                                                                     “___” ________ 2011г.                                                   

ЗАДАНИЕ 

По курсовому проекту студенту Горбачеву В. С. группы  359-2 факультета электронной техники.                                      

1.Тема проекта Расчёт и конструирование катодного узла.

2. Срок сдачи  законченной работы «        »                          2011 г.               

3. Исходные данные  к проекту:

     1). Материал катода: ниобий (Nb);

     2). Ток эмиссии: 0,8 А.

4.Содержание  пояснительной записки (перечень  подлежащих разработке вопросов):

4.1. Выбор режима  работы катодного узла                                     

4.2. Расчет  катодного узла.

а) расчет катода (запас 50%);

б) выбор и обоснование режима работы;

в) конструирование катодного узла;

  5. Перечень  графического материала.

  6. Дата выдачи  задания «        »                    2011 г 

Содержание 
 

1. Введение

   Существуют пять групп термоэлектронных катодов: 

– чисто металлические катоды;

– пленочные катоды;

– полупроводниковые катоды;

– гексаборидные катоды;

                  – сложные катоды (металлопористые, прессованные, импрегнированные  и т.п.).

    Основные требования к материалам, которые используются в качестве источников       электронов в накаливаемых катодах:

    Материал должен обладать:

    1. высокой температурой плавления, допускающей его работу при значениях               температуры, обеспечивающее  нормальную работу электронной лампы плотность тока термоэлектронной эмиссии;

    2. высокой температурой кипения и по возможности более низким давлением паров в пределах рабочих значений температуры катода;

    3.  высокой механической прочностью и достаточно высокой проводимостью допускающей отбор тока эмиссии большой плотности;

      Одним из основных элементов конструкций  всех типов электронных ламп является источник электронов - катод прямого накала или подогревный катод, т.е. снабжённый специальным, изолированным от катода подогревателем.

      В данном проекте рассматривается катод прямого накала из чистого металла – ниобия. Можно отметить такие свойства ниобия как высокая температура плавления и кипения, более низкая работа выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами — вольфрамом и молибденом. Последнее свойство характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.

        Характерное свойство ниобия — способность поглощать газы — водород, азот и кислород. Небольшие примеси этих элементов сильно влияют на механические и электрические свойства металла. Поглощённый водород придаёт металлу хрупкость, но при нагревании в вакууме выше 600°С почти весь водород выделяется и прежние механические свойства восстанавливаются. [1], [2]. 
 
 
 
 
 
 
 

2.   Расчет катодного узла.

   Исходные  данные;

    Ток эмиссии I _эм = 0,8  А.

          Запас по эмиссии: 50%

          Т.о. берем   I _эм = 1,2  А.

       Для напряжения накала обычно задаётся одно из стандартных его значений В. Возьмем напряжение накала U_H=5,6 В.

      Зададимся рабочей температурой  катода T_k = 2300⁰K, необходимо взять табличные значения, соответствующие данной температуре:

  удельная мощность излучения, 79,4×10^-6 Ом см ;                                   

  I₁- ток накала единичного цилиндра, I₁= 1173 A/см^3/2;                                    

  U₁- напряжения накала единичного цилиндра, U₁= 0.1187 B/см^1/2;            [1]       

  j_e – плотность тока эмиссии, j_e=0,3 А/см²                  

  H_e- мера накала, H_e=10×10^-3 A/вт;                                                                      

  m - удельная скорость испарения, m =4,52·10^-8 г/см²·с                            

            I _эм=1,2 А,

     Режим работы катода – непрерывный (небольшое значение тока эмиссии). При большом значении тока эмиссии (несколько десятков ампер), берется импульсный режим работы катодного узла. 

1.   Расчет параметров идеального катода.

    Формулы для расчета взяты из [1].

        Мощность накала: 

        Ток накала:

        Диаметр реального катода:

        Длина идеального катода: 

        Мощность теплового излучения с рабочей поверхности катода [4]

где

- коэффициент  лучеиспускания ниобия;

 – рабочая   температура катода;

 – диаметр  катода;

 –длина  катода.

2.   Расчет держателей термокатода.

           Формулы для расчета взяты из [1].

         Держатели возьмем из вольфрама. Соединение держателей с катодом производится путем точечной сварки, используя пластинку из никеля в качестве припоя.

          Возьмем диаметр катода равный 0.069см, а диаметр держателя равным 0.3 см. 

       Диаметр держателя:

 
       Длину вводов найдем из формулы:

,где

  ;

;

;

 - значения , приведенные в зависимости от температуры , где [1];

  - ток накала катода;

 - теплопроводность материала ввода, для вольфрама ; 

- диаметр  ввода.

Рассчитаем потери мощности на охлажденных концах [4]: 

где    

  - мощность потерь на одном охлажденном вводе;

  - коэффициент лучеиспускания вольфрама;

- температура  ввода в момент нагревания  катода до рабочей температуры; 

– диаметр  держателя;

 –длина  держателя.

3. Расчет параметров реального катода

     Приближенные значения поправок   (для тока эмиссии) вычисляются по формуле [1]:

        Напряжение накала идеального катода определяется по формуле [1]:

3. Мощность, забираемая эмитирующими электронами

     Вычислим мощность по формуле [4]

                                                     
        где    

                 T – рабочая температура катода;

                 k – постоянная Больцмана;

                 j – плотность тока эмиссии; 

                 e – заряд электрона.

4. Баланс  мощностей

Вт

Баланс  мощностей сходится, из чего следует, что сконструированный катод пригоден для работы. Конструкция катода приведена в приложении 1.  

5. Расчет спирали

     Зная  величину длины катода, которая равна  , зададимся значением диаметра витка, приняв ее равной  . Исходя из геометрических параметров керамического основания и приваренных вводов, можем положить длину спирали равной  .  
 
 

     Теперь  можем вычислить шаг навивки [1] 

     где    - длина катода с учетом 1см на припой;

      - диаметр витка.

     Тогда число витков данной спирали может  быть вычислено следующим образом [1]

     Расчитаем число витков спирали:

  
6. Заключение

      В данном курсовом проекте был рассмотрен прямонакальный катода из чистого металла  – ниобия, принцип действия которого основан на эффекте термоэлектронной эмиссии. Явление термоэлектронной эмиссии широко используют в вакуумных приборах.

      В данном курсовом проекте произведен расчет идеального и реального катода, составлен баланс мощностей. В результате получили примерное равенство мощностей, что подтверждает правильность произведенных расчетов. Также была рассмотрена конструкция катодного узла (на основе рассчитанных геометрических размеров).  
 
 

Список используемой литературы

1.  Царев Б.М. “Расчет и Конструирование электронных ламп” Москва: ”Энергия”, 

     1967г, 671стр.

2. Форум по химии [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.cniga.com.ua  - Ниобий.

 3. Пошехонов П.В. Соколовский Э.И. “Тепловой расчет электронных приборов”,

    Москва  “Высшая школа” 1977г, 159 стр.

4. Аксенов А.И., Окс Е.М., Злобина А.Ф. «Вакуумная и плазменная электроника», Томск, 2007г., 164с.