Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Уровень разработок и оценка предельных характеристик элементов люминофорного источника света 14
I. I. Катодолюминофор 16
1.1.1. Энергетический выход катодолюминесценции 16
1.1.2. Нанесение светосостава на подложку 22
1.1.3. Охлаждение подложки 26
1.2. Катоды 27
1.3. Надёжность элементов люминофорного источника... 32
1.3.1. Долговечность люминофоров. 33
1.3.2. Сохраняемость экранов на подложке 35
1.3.3. Долговечность катодов 36
1.4. Электронно-оптические системы , 40
Выводы , 46
Глава 2. Разработка и исследование экрана люминофорного источника оптического излучения 49
2.1. Катодолюминофор 49
2.2. Эффективность люминофоров 56
2.3. Распределение тепловых потоков 67
2.4. Коэффициент теплопроводности 78
2.5. Подложка 81
2.6. Долговечность экрана. 88
Выводы , 100
Глава 3. Разработка и исследование электронно-оптических систем люминофорных источников... 102
Разработка и исследование ЭОС источников с осе-симметричными электронными пушками 102
Щелевые ЭОС источников,формирующих криволинейные ленточные пучки 118
3.2.1. Приближённый расчёт основных параметров пушки 119
3.2.2. Оптимизация щелевой ЭОС,формирующей криво линейные ленточные пучки 128
Выводы 141
Глава 4. Люминофорные источники света в системах светового управления и скоростного фото графирования 143
Колбы люминофорных источников 143
Испытательный стенд для комплексного исследования люминофорных источников. ,. 158
Системы светового управления высоковольтными тиристор ними вентилями , , 165
4.3.1. Система светового управления высоковольтным тиристоным вентилем внутренней установки БТСМ-ІУМ ., 166
4.3.2. Системы светового управления высоковольтными тиристорними вентилями на параметры линий электропередач сверхвысоких напряжений,... 170
4.3.2.1. Система светового управления высоковольтным тиристорним вентилем внутренней установки типа ВТСВ-800/470-(1) с усилительными ячейками на фототранзисторах 173
4.3.2.2. Система светового управления высоковольтным тиристорним вентилем внутренней установки типа ВТСВ-800/470-(2),на фототиристорах... 179
4.3.2.3. Система светового управления высоковольтным тиристорним вентилем наружной установки типа ВТСВ-800/470-(3) 179
4.4. Модуляторы. , 185
4.4.1. Ламповый анодный модулятор 186
4.4.2. Анодный модулятор на импульсных тиристорах,. 190
4.4.3. Сеточный модулятор 197
4.5. Люминофорный источник в установке для исследования процесса впрыска топлива в прозрачный цилиндр экспериментального дизеля 204
Выводы 216
Основные результаты работы 218
Литература
- Энергетический выход катодолюминесценции
- Эффективность люминофоров
- Приближённый расчёт основных параметров пушки
- Система светового управления высоковольтным тиристоным вентилем внутренней установки БТСМ-ІУМ
Введение к работе
В соответствии с решениями НУ и ХХУІ съездов КПСС к числу важнейших задач электротехнической промышленности относится разработка электрооборудования и ввод в действие линий электропередач постоянного тока напряжением 1500 кВ Экибастуз-Центр [ 1, 2].
Одной из главных проблем при создании уникальных по мощности, надежности и долговечности линий электропередач является создание высоконадежного электрооборудования, в частности, высоковольтного тиристорного вентиля {ШВ). Для этого необходимо разработать высокоэффективную и помехоустойчивую систему безинерцион-ного дистанционного управления большим числом тиристоров, находящихся на высоком потенциале относительно земли. Для оптимального решения этой проблемы необходимо проведение тщательного анализа и сравнительной оценки различных методов такого управления. Уже на первой стадии выбора и опробации систем управления были показаны преимущества светового метода управления узкими импульсами по сравнению с другими возможными способами їв том числе СВЧ-сис-темами) [з, 4]. Это подтверждено, в частности, практикой разработки высоковольтных тиристоршх систем ведущими зарубежными фирмами [5-7J. В результате возникли задачи научно обоснованного выбора вида импульсных источников светового излучения и проведения комплекса работ по улучшению их параметров и эксплуатационных характеристик в соответствии с требованиями данного применения.
При этом на протяжении последнего десятилетия разработки велись в трех направлениях: а) по линии исследования возможности улучшения ресурсных, спектральных и частотных характеристик импульсных газоразрядных источников света (ИГИС) [8], - б - б) в направлении использования эффекта катодолюминесценции и создания на его основе мощных электроннолучевых люминофорных источников света (ЛИС) [э,ю], в) по пути отработки и совершенствования мощных твердотель ных инжекционных импульсных полупроводниковых квантовых генера торов (ПКГ) [її].
Для ВТВ, управляемого с помощью узких импульсов, требуются источники, способные круглосуточно излучать световые импульсы длительностью несколько микросекунд с частотой повторения одиночных импульсов 50 Гц и изредко в режиме пачек, содержащих 2-10 импульсов, следующих с интервалом 100 мкс, также с частотой повторения 50 Гц. Долговечность источников 500 - 1000 ч. В дальнейшем, после опытно-промышленной эксплуатации источников требования по долговечности повысились до 5000-10000 ч., что привело к существенному усложнению конструкции источников и модуляторов.
Основной причиной снижения долговечности ИГИС явилось снижение прозрачности стекла из-за распыления электродов. Были созданы образцы безэлектродных ИГИС, имеющих большую долговечность, но для их питания потребовался очень сложный модулятор, который существенно снизил надежность этой системы управления.
Кристаллы ПКГ имеют малую мощность излучения, поэтому собирают сложную матрицу, состоящую из большого числа одиночных кристаллов, соединенных последовательно и параллельно. Мощность излучения матрицы снижается ступенчато по мере деградации отдельных кристаллов. Стоимость матричного ПКГ значительно выше, чем стоимость излучателя ИГИС и ЛИС, при приблизительно одинаковой стоимости и надежности модуляторов. Например, ПКГ типа ЛПИ - 103, принятый для систем управления ВТВ, содержит 150 одиночных кристаллов при размере торца 2,5 х 2,5 мм при мощности 250 Вт. Он имеет стоимость, значитель- но превышающую стоимость аналогичного ему газоразрядного источника. Дальнейшее увеличение количества кристаллов ПКГ приводит к существенному снижению надежности излучателя и еще большему повышению стоимости.
ВГВ содержит большое число фотоприемников. Поэтому желательно иметь фотоприемники как можно меньшей чувствительности, что приводит не только к снижению их стоимости, но и к повышению помехоустойчивости. Понизить чувствительность фотоприемников можно либо путем увеличения мощности светового импульса, либо путем повышения энергетической эффективности оптического канала.
Необходимой предпосылкой и основанием для развития ЛИС -этого нового класса электроннолучевых приборов, - явились успехи, достигнутые за рубежом в области синтеза стойких, короткозатухающих катодолюминофоров [і2,із]. На основе источников ПКГ и ИГИС разработаны помодулъяые системы светового управления (ССУ) ВІВ [ll,14j, а на основе ЛИС [15] - помодульного и поячеечяого типа. Последний имеет намного большую мощность и энергию светового импульса. Кроме этого в ЛИС возможно получение практически любой формы экрана при четкой управляемости, большом сроке службы, простоте и технологичности изготовления [9,I0,I5,I6j . В табл. I приведены основные характеристики разработанных в настоящее время источников, а также самого мощного выпускаемого серийно светоди-ода АЛІ07Б.
К недостаткам ЛИС, предназначенного для работы в системах управления ВТВ, можно отнести более широкую, чем у ПКГ, диаграмму направленности излучения экрана, меньшую яркость свечения и несоответствие максимума кривой спектрального излучения с максимумом кривой спектральной чувствительности кремниевого или германиевого фотоприемников, применяемых в ячейках управления.
ТАБЛИЦА I
Длительность,
Спектральный диапазон, нм
Поверхность тела свечения, мм — 9 —
С люминофорным источником типа ЛИС-3 проведена опытная эксплуатация ВТВ в составе моста 2ЮВ на подстанции постоянного тока Волжской ГЭС им. ХХП съезда КПСС. Срок службы источников этого типа порядка 300-500 ч. Основной причиной выхода их из строя явилось плавное снижение светности экрана. Добиться существенного повышения срока службы возможно только в результате комплексного исследования причин, приводящих к этому снижению и их устранения. Для этого в первую очередь необходимо было провести исследования существующих и разработать новые высокоэффективные короткозатуха-ющие, долговечные светосоставы, а также провести поиск оптимального режима работы экрана, материала подложки, способа нанесения и др.
Большое значение для получения надежного и долговечного источника имеет выбор эффективного и долговечного катода для электронной пушки, и разработка электронно-оптической системы ^Э0О, имеющей минимальные потери электронного пучка на вспомогательных электродах при высокой равномерности облучения экрана электронами.
В связи с изложенным, целью настоящей работы является разработка, создание и исследование импульсных люмияофорных источников, модуляторов и оптических каналов для ССУ ВТВ. Для достижения этой цели необходимо решить нижеследующие задачи.
Провести анализ физических явлений и характеристик элементов люминофорного источника.
Разработать перспективные методики, позволяющие исследовать: теплофизические свойства катодолюмияофоров, качество экранов, равномерность засева экрана электронным потоком, границы зоны пыления продуктов испарения катодов.
Разработать короткозатухающий люминофоряый экран, стойкий к тепловым и токовым нагрузкам, и провести его исследование.
4. Рассчитать, разработать и исследовать высокопервеансяые ЭОС, формирующие расходящиеся электронные пучки с высокой равно мерностью тока на экране: а) аксиально-симметричные; б) плоско-симметричные.
5. Провести численную оптимизацию плоско-симметричной ЭОС, в которой экран и переднее стекло колбы, через которое излучение выходит наружу, находятся вне зоны основного пыления катодов.
Рассчитать и разработать конструкции оптических каналов ССУ ВТВ и дать практические рекомендации по расчету их энергетической эффективности и способам оптимальной юстировки.
Рассчитать и разработать анодные и сеточные импульсные модуляторы для питания электродов люминофорного источника.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.
В первой главе на основе анализа литературных данных рассмотрен рад короткозатухающих люминофоров, с точки зрения удовлетворения требований, предъявляемых к экранам люминофорных источников. Проанализированы технологические особенности изготовления экранов и показаны недостатки существующих люминофоров. Рассмотрены основные характеристики катодов, приемлемых для работы в люминофорном источнике. Проведена оценка параметров надежности основных элементов ССУ ВТВ. Рассмотрены конструктивные решения ЭОС, способы расчета и оптимизации.
Вторая глава посвящена проблемам исследования выпускаемых серийно и разработки новых короткозатухающих люминофоров, излучающих в области спектральной чувствительности кремниевых и германиевых фотоприемников. Предложена методика и на ее основе разработана установка для исследования люминофорных экранов, подло- -II - жек и других элементов источника,работающих в условиях интенсивного импульсного электронного возбуждения.Изучено распределение тепловых потоков экрана и определена предельно допустимая плотность мощности возбуждения,Исследовано влияние рентгеновского излучения на разработанный люминофор у^ /ы^и/рСе.Приведены рекомендации по выбору оптимального режима работы экрана.
В третьей главе представлены результаты расчёта и экспериментального исследования аксиально-симметричных и плоско-симметричных ЭОС,формирующих расходящиеся электронные пучки.Предложена методика и проведено количественное исследование зон пыления плоско-симметричных электронных пушек Предложена методика и на её основе разработана установка для исследования равномерности яркости и плотности тока экрана.Проведена численная оптимизация ЭОС,формирующей ленточный электронный поток с поворотом пучка прямоугольного сечения на угол 1,57 рад в сторону экрана.Экспериментальные исследования плотности тока экрана подтверждают результаты численной оптимизации.
В четвёртой главе обосновывается выбор конструкции колбы источника с учётом распределения тепловых потоков.Описывается установка для комплексного исследования люминофорных источников. Предлагается инженерная методика расчёта чувствительности фотоприёмников с учётом энергетической эффективности оптического канала. Приводятся результаты расчёта четырёх типов каналов и предлагается способ их оптимальной юстировки.Приведены результаты разработки анодных и сеточных импульсных модуляторов,предназначенных для питания электродов ЛИС.Обосновывается применение ЛИС в установке для скоростного фотографирования факела топлива, впрыскиваемого в прозрачный цилиндр экспериментального дизеля.
В разделе "Основные результаты работы" сформулированы основные выводы по результатам проведенных работ. - 12 -НАУЧНАЯ НОВИЗНА проведенных исследований заключается в : разработке нового прибора,отличающегося от известных, большей мощностью,энергией,крутизной нарастания и спада светового импульса ( A.C.762U59, СССР ); результатах проведения широкого комплекса исследований яркостных,температурных,инерционных и ресурсных характеристик короткозатухающих светосоставов,в условиях предельно высоких импульсных токовых нагрузок,выяснено,что новый светосостав на основе алюмоиттриевого граната активированного церием,может быть успешно использован для экрана катодолюминофорного источника оптического излучения; разработке методов и средств бесконтактного,неразрушающе-го испытания катодолюминесцентных экранов ( А.СЛС86379,СССР ); доказательстве возможности создания ЭОС с первеансом до 5 мкА/В ' см с примерно равномерным распределением плотности тока по сечению пучка прямоугольного сечения с криволинейными электронными траекториями,защитой экрана и переднего стекла колбы от прямого теплового и молекулярного излучения катода,и численной оптимизацией двух вариантов таких систем; систематизированных исследованиях причин,ограничивающих долговечность прибора и выработке рекомендаций по её увеличению.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. На основе эффекта катод олюми не сценции короткозатухающего светосостава,нанесёиного на охлаждаемую металлическую подложку,возможно создание мощного импульсного источника оптического излучения,генерирующего световые импульсы микросекундной длительности с фронтами в несколько десятых долей микросекунды.
Использование зависимости яркости катодолюминесценции от температуры позволяет бесконтактным способом определить: коэффициент теплопроводности слоя люминофора,равномерность распре- - ІЗ -деления тока и толщины слоя люминофора на подложке,не разрушая структуры экрана.
Для получения долговечного источника необходимо экран и переднее стекло колбы располагать вне зон прямого молекулярного и теплового излучения катодов. ЭОС такого источника должна формировать КрИВОЛИНеЙНЫе КОНИЧЄСКИ-раСХОДЯЩИеСЯ ЭЛеКТрОННЫе ПУЧКИ,ПО' ворачиваемые в сторону экрана на угол близкий к прямому.
Энергетический выход катодолюминесценции
Для удовлетворения требований, предъявляемых к люминофорно-му источнику света (ЛИС), особенно по надежности и долговечности, необходимо провести теоретические исследования основных его частей, являющихся общими с разработанными ранее электроннолучевыми приборами. В частности, катодолюминофоры применяются в широко известных индикаторных электроннолучевых трубках (ЭЛТ), а пушки, формирующие высокопервеансные электронные пучки - в мощных генераторных лампах. Необходимо также проведение комплексного исследования по определению характера взаимного влияния отдельных элементов ЛИС друг на друга, приводящего к снижению долговечности. В настоящее время известны только патентные данные о ЛИС.
В первом случае источник С17 J конструктивно представляет собой широко известную осциллографическую ЭЛТ, но в отличие от нее имеет намного более мощную электроннолучевую пушку, засеивающую одновременно весь экран, катод вогнутый дисковый или вогнутый тороидальный. Во втором случае источник f Т8 J похож на люминесцентную цилиндрическую лампу дневного света с люминофором, нанесенным на внутреннюю поверхность стеклянного цилиндра. Катод источника цилиндрический, расположен вдоль оси колбы и равномерно облучает электронами экран. Для управления электронным потоком в первом случае используется специальный управляющий электрод, расположенный вблизи катода в горловине, а во втором - управляющим электродом является проволочная спираль, намотанная на некотором расстоянии от катода вдоль всей длины источника.
Известен источник [ 19 ] , у которого люминофорный экран расположен напротив фотокатода. Принцип действия основан на эффекте самовозбуждения фотокатода частью света от экрана. Фотокатод эмиттирует электроны, которые возбуждают люминофор, а люминофор излучает свет, который еще больше возбуждает фотокатод, т.е. часть светового потока источника света используется для возбуждения фотокатода. Основное преимущество этого источника света заключается в практически мгновенной готовности к работе и отсутствии цепей накала. Однако малый срок службы фотокатода при интенсивном токоотборе делает бесперспективным применение этого ЖС в системах светового управления (ССУ) высоковольтного тиристорного вентиля (ВТВ).
Известны источники света [ 20,21 J , у которых порошковое люминофорное покрытие заменено тонкой монокристаллической полу- проводниковой пластинкой, противоположные плоскости которой с нанесенными отражающими покрытиями образуют оптический резонатор. При выполнении соответствующих условий в точке падения электронного луча возникает генерация лазерного излучения. Теми же авторами созданы опытные образцы Лазерных электроннолучевых трубок (ЛЭЛТ) из Gafts , состоящие из 1000 отдельных элементов с размерами каждого около I х 0,4 мм. При энергии накачки 200 кэВ, токе 200 А, мощность излучения составляет 100 кВт при длительности им-пульса 5,10 мкс. Теми же авторами был создан образец отпаянной ЛЭЛТ, у которой экран возбуждается пушкой Пирса с длительностью импульса 0,1 мкс при напряжении на аноде до 70 кВ и током около I А. Мощность импульса излучения 2,2 кВт, длительность 20.10 мкс, энергетический КПД до % при температуре экрана, близкой к температуре кипения жидкого азота.
Малый срок службы, наличие жидкого азота, малая энергия светового импульса, наличие жесткого рентгеновского излучения -значительно усложняют возможность применения ЛЭЛТ в ССУ ВТВ.
Поэтому основное внимание в данной работе было уделено изучению и разработке ЖС с порошковыми экранами, работающими при комнатной температуре, позволяющими получить световые импульсы не только большой мощности, но и большой длительности.
Основными элементами и узлами, определяющими все основные характеристики ЖС, являются следующие: 1) катодолюминофор; 2) источник электронов (катод); 3) электронно-оптическая система (ЭОС), формирующая электронный пучок. І.І. Катодолюминофор во многом определяет свойства люмино-форного источника. При выборе его типа определяющими являются следующие требования: 1) максимальный энергетический выход (КПД преобразования) и светимость; 2) высокая стойкость к тепловым и токовым нагрузкам; 3) малое (не более 0,5мкс) время разгорания; 4) максимальное согласование кривой спектрального излучения с кривой спектральной чувствительности фотоприемника; 5) высокая технологичность нанесения и обезгаживания, устойчивость покрытия в условиях высокого вакуума.
Энергетический выход катодолюминесценции характеризует эффективность люминофора как преобразователя энергии падающего электронного пучка в световое излучение. Для ЖС, который является излучающим прибором, величина энергетического выхода является первостепенным параметром. Поэтому проведено тщательное излучение работ различных авторов, посвященных получению максимально возможного значения этого параметра.
Эффективность люминофоров
При подаче электрического импульса от модулятора (II), электронный пучок бомбардирует экран и вызывает его свечение и разогрев. Температура экрана регистрируется термометром (6), а яркость свечения фотодатчиком (17). С помощью нагревателя (5) можно повышать температуру исследуемого образца.
Аналогично по схеме (рис. 7 ) осуществлялось исследование экранов отпаянных люминофорных источников. В этом случае по схеме (а) осуществлялся нагрев экрана, а по схеме (б) - охлаждение. С помощью дополнительного экрана (15) и объектива (14) измерялись геометрические размеры тела свечения на экране ЛИС. Меняя размеры тела свечения на экране при постоянной интенсивности электронного пучка, с помощью фотодатчика (8) исследовалась зависимость яркости экрана от плотности тока.
По схеме (рис. 6 ) осуществлялась предварительная оценка пригодности люминофора, а по схеме (рис. 7 ) - окончательная.
Иттрий гадолияиевый гранат, индий иттриевый гранат, селениды цинка и кадмия (В-ПЗ, В-3, В-6), сульфиды цинка - разрушались при температуре 400С и при импульсных (4 мкс, 50 Гц) токовых нагрузках около 0,1 А/см2. Наиболее устойчивыми оказались борат иттрия и алюмоиттриевый гранат, которые не разрушались при импульсной плотности возбуждающего тока до 9 А/см и плотности мощности возбуждения до 250 кВт/см2 при работе с длительностями импульса 2-4 мкс и частотой повторения 50 Гц на металлических экранах, охлаждаемых проточной водой. Люминофор доводился до полного температурного тушения (порядка 500 - 550 С). После снятия экстре . мального возбуждения, когда температура экрана снижалась до 200С, люминофор полностью восстанавливал свою первоначальную эффективность (рис. 5 ).
Исследование времени разгорания и затухания показало, что оно является функцией плотности тока. Например, для экрана типа "I" светосостав К-56 {ZnO \Zn ) и для силикатов, активированных церием, при изменении плотности тока в пятне от 0,01 до 10 мА/сщ {ZnO ;Zn) затухание меняется от 1,5 до 0,5 мкс, а для силикатного, при изменении плотности тока от 0,2 до 50 мк/сяг, время разгорания меняется от 0,6 до 0,02 мкс. То есть у этих люминофоров увеличение плотности возбуждающего тока приводит к уменьшению длительности послесвечения.
Загрязнение люминофора примесями железа, никеля - приводят к уменьшению, а примесями кобальта - к увеличению длительности послесвечения.
Предварительные исследования показали возможность использования в люминофорных источниках алюмонатов: активированных церием. Эти соединения показали высокую физико-химическую стойкость, сочетающуюся с выгодными люминесцентными свойствами, но имеющими максимум кривой спектрального излучения в видимой области спектра. Подобный люминофор У М5012 -Се был синтезирован во ВНИИлюминофоров г. Ставрополь. Спектральная характеристика излучения лежит в интервале от 480 до 700 нм с максимумом на 540 нм (рис. f ). Исследование эффективности этого люминофора в условиях интенсивного импульсного возбуждения экрана ЖС показало, что его эффективность вышем чем у B-II3 и В-3 (рис. 8 ).
Эффективность люминофоров сравнивалась двумя способами: путем определения максимального расстояния от экрана до фотоприемного элемента, при постоянной амплитуде электрического импульса на выходе фотоячейки и путем сравнения амплитуд электрического импульса, получаемого на нагрузке германиевого или кремниевого фотодиодов, включенных в фотодиодном режиме, на одном и том же расстоянии от экрана при постоянном размере тела свечения.
Значение эффективности у всех люминофоров различно и сильно зависит от температуры. Сначала по мере увеличения плотности возбуждающего потока, а соответственно, и мощности, энергетическая светность экрана растет до тех пор, пока прирост температуры люминофора за счет безизлучательного торможения электронного пучка не вызовет заметного спада эффективности. Далее наступает некоторый перегиб кривой, когда дальнейшее увеличение мощности возбуждения приводит к меньшему возрастанию светности, чем спад свет-яости за счет температурного снижения эффективности. Эта мощность возбуждения является предельной, а светность экрана максимальна. Для каждого светосостава величина этой мощности различна и сильно зависит от способа нанесения, типа подложки, способа охлаждения и других факторов. Например, эта зависимость, снятая для некоторых люминофоров, нанесенных методом седиментации на коваровую подложку толщиной 0,15 мм при коэффициенте теплоотдачи близком к 2-3.103 Вт/(м%), в режиме работы с частотой 50 Гц и длительности импульса 2-3 мкс, отражена на рис. 9.
При плотности тока, превышающей предельную, на экране появляются отдельные точки температурного тушения люминесценции. При дальнейшем увеличении тока точки разрастаются, образуя области температурного тушения, внутри которых начинается процесс разрушения малостойких люминофоров. При сильном нагреве выделяются пары люминофора или его компонент. Это приводит к ухудшению вакуума в колбе и дополнительной газовой фокусировке отдельных частей электронного пучка на областях температурного тушения.
Приближённый расчёт основных параметров пушки
ЭОС разрабатывались с учетом результатов экспериментальных исследований особенностей работы экранов и макетных образцов ЛИС-І и ЛИС-2 и опытных образцов ЛИС-За и ЛИС-Зб на испытательных стендах ВЭИ им. В.И. Ленина и в условиях опытной эксплуатации ВТВ типа ЕГСМЧШ на Волжской ГЭС им. ХХП съезда КПСС [Т20І.
Щелевая ЭОС должна формировать на экране интенсивный электронный пучок с минимальными потерями тока на промежуточных электродах. Из результатов расчета оптической схемы ЧССУ, выяснено, что экран ЛИС должен иметь прямоугольную форму с отношением сторон от 1:10 до 1:20. За основу разработки ЭОС были взяты полоско-вые вогнутые бариево-никелевые катоды, с помощью которых можно формировать требующиеся ленточные клиновидные пучки прямоугольного сечения с практически любым соотношением сторон. Выбранные катоды устойчивы к ионной бомбардировке и электрическим пробоям, а также обладают минимальным пылением.
Для формирования требующихся ленточных клиновидных пучков используем .методику,,расчёта пушек,Пиреаг%щ ленточных пучков
В дальнейшем замена диодной пушки Пирса триодной позволила создать требущуюся злектроішую пушку для ЖС с прямоугольным экраном
Приближенный расчет основных параметров пушки, формирующей клиновидно расходящийся электронный поток, проводился по методу синтеза пушек Пирса с аксиально-симметричными или ленточными пучкамиИ0,Ш].
Необходимость достижения высокой надежности, а, соответственно, и долговечности источника предопределила выбор методики разработки конструкции ЭОС. Этапами разработки ЭОС с расходящимся клиновидным пучком явились следующие:
1) выбор катода, исходя из допустимой плотности тока, обеспечивающей получение заданного срока службы (не менее 5000 ч);
2) приближенный расчет основных геометрических параметров пушки с ленточными катодами по методике, предложенной Пирсом ,
3) экспериментальное исследование зон пыления катодов пушки на макетном образце источника света;
4) построение конструкции ЭОС, формирующей криволинейные пучки с учетом основного требования - защиты экрана и расположенного напротив стекла колбы от напыления продуктов испарения с катода;
5) исследование построенной ЭОС, выбранных катодов, системы управления электронным пучком и др. на макете ЖС;
6) анализ результатов исследования и проведение численного расчета геометрии ЭОС с помощью ЭВМ при следующих требованиях к ЭОС: . - неравномерность токоотбора с катода не более -20$ от среднего значения; -- неравномерность плотности тока на экране не более ,20% от среднего значения, :-т перехват тока пучка вспомогательными электродами ЭОС не более 7%.
7) Исследование рассчитанной конструкции ЭОС на опытном образце ЖС.
В соответствии с вышеизложенными этапами осуществляем выбор катода для пушки ЖС. Минимально допустимая энергетическая свет ность экрана должна быть 150 Вт/cwr при эффективности не менее 0,5%. Определим, например, для экрана ЖС-9 размером 10 х Г .ем полную импульсную мощность электронного пучка при 90% использо вания тока: Р8 лр-$э /Цл-Ц9п » (34) Рв? ЪЧО кВт , где--. Рв - полная электрическая мощность возбуждения экрана, йр - светность, э- поверхность экрана, у - эффективность еветопреобразования люминофора, цэп- коэффициент использования электронного пучка. При напряжении на экране, равном 15 кВ, ток катода должен быть равен: J к 2 3 А , где Уэ- напряжение на экране.
Для получения долговечности не менее 5000 ч при длительности импульса 6 мке и скважности около 3000, плотность токоотбора с катода можно приближенно определить по результатам исследований, проведенных [ 91 J . Для этого по графику, приведенному в гл. I (зависимости срока службы оксидного катода от величины импульсного и среднего тока при заданной длительности импульса) определяем максимальную плотность тока J-к , равную 3,3 А/см2. По таблице, приведенной в той же главе, определяем температуру като да, при которой он будет иметь срок службы до 10000 ч: Эта температура равна 717 - 757С.
Система светового управления высоковольтным тиристоным вентилем внутренней установки БТСМ-ІУМ
При заданных значениях Од , , У а определяется значение табулированной функции (рис. 46 в). Далее по методике, описанной в 96,101 J , осуществляется построение геометрии пушки, формирующей клиновидно сходящийся пучок. На рис. V6a приведено построение геометрии пушки, имеющей исходные данные: Z« = = 10 мм,0=0,315: рад, 1/а = 6.I03 В, Уд = 78 А, а на .рис. щ б г пушки с меньшим радиусом кривизны эмиттирующей поверхности катода: к = 5,5 мм, $=0,58рзд-- при тех же значениях потенциала и тока катода. Плоскости фокусирующих электродов наклонены к плоскости крайних траекторий пучка под углом 1Д8рад.
В результате построения получены следующие геометрические размеры пушки: для первой пушки - 7 х = 6,2 мм, Усі 1»8 мм, Ус/ =(1 »1 If2JX х у = 2,1 мм, для второй пушки - Та = 3 мм, (/ = 1,65 мм, у = 1,85 мм.
При построении ЭОС, необходимо определить зоны пыления катодов. По интенсивности пыления, зоны можно условно разделить на две: в первую следует отнести зону, ограниченную углом пыления, в котором на краях зоны интенсивность пыления в два раза меньше, чем в центре, а во вторую - зону, определяемую углом, в котором на краях интенсивность пыления в 10 раз меньше, чем в центре.
Экспериментальное исследование зон пыления рассчитанных пушек осуществлялось на однопушечном макете источника ЛИС-6 (рис. Н7), Исследования показали, что в первой зоне осуществляется основное пылеяие катода. Она ограничена утлом, образованным прямы - 125 a) проведенными из центра оксидной поверхности катода и крайней точкой первого анода, а вторая зона ограничена углом, под которым пересекаются прямые, проведенные из крайних точек эмиттирую-щей поверхности катода и крайними точками первого анода.
На графике рис. 48 ; приведена экспериментально снятая зависимость интенсивности пыления катода с учетом экранирующего действия первого анода. Исследования основывались на зависимости степени поглощения света от толщины напыленного слоя. Исследовался источник, проработавший около 200 ч. Для этого колба изнутри подсвечивалась источником света, равномерно освещавшим зону напыленного вещества. Снаружи, по окружности колбы, плавно с помощью микрометрического винта, вращаемого малооборотным электродвигателем, перемещался световод, входной торец которого закрывался диафрагмой диаметром ОД мм и светофильтром СЗС-23. Второй торец световода устанавливался вплотную к германиевому фотодиоду ФД9Э1ПА. Выходной импульс снимался с нагрузки то то диода, измерялся пиковым детектором и регистрировался самопишущим миллиамперметром.
В результате исследований выяснено (рис. 46 аб ), что для пушки с радиусом кривизны катода, равным 10 мм, первая зона (выделена штрих-пунктирными линиями) ограничена углом 0,49 рад .вторая (штрих с двумя пунктирами линия)0,98радДля пушки с радиусом кривизны катода, равным 5,5 мм, эти зоны ограничены соответственно углами 0,38 рад и 0,87 рад.
На оснований проведенных расчетов построена конструкция ЭОС (рис. 9 ) макетного образца ЛИС-9 (рис. 50 ) с радиусом кривизны эмиттирующей поверхности катода, равной 10 мм. Экран и переднее стекло колбы находятся вне зоны основного пыления катодов. Угол выхода светового излучения источника при ширине тела свечения на экране,равной 10 мм, составляет:о =±0,785рад.
Конструкция электронно-оптической системы лшинофорного источника ЛИС-9. 2сх- угол излучения источника, 2J3- угол,ограничивающий зону основного пыления катодов рукция ЭОС была практически исследована в колбе диаметром 90 мм и длиной 150 мм. В качестве подложки для экрана использовалась сплюснутая тонкостенная металлическая трубка, наглухо заваренная с одного торца. Исследовались яркостные характеристики экрана (рис. 51 ), эмиссионные характеристики катода (рис.5 2 ), а также анодно-сеточные (рис.5 3 ) и анодные характеристики (рис.54 ). Оптимальный ток накала катодов типа "Тираж",составлял 4,2 - 4,4А, оптимальное положительное напряжение первого анода 6-7 кВ, перехват катодного тока первым анодом около 10$. Удельный первеанс получившейся пушки равен: Р = У„ /У«3/2е„ , (38) где 7К - ток катода (30 А), Уа- напряжение первого анода (6 кВ), в к - полная длина катода (20 см). Подставляя значения, получаем: Р = 4,68 мкА/(В3/2-см).
В результате исследовании макетного образца выявлены следующие недостатки: неудовлетворительное распределение плотности тока по экрану вследствие неламинарности электронного пучка, плохая повторяемость ЭОС при сборке, сильный разогрев первого анода, приводящий к появлению паразитного неуправляемого тока на экране. Для устранения этих недостатков была изменена конструкция первого анода и введены дополнительные электроды.
