способ проведения испытаний на долговечность генераторных ламп

Формула изобретения

Способ проведения испытаний на долговечность генераторных ламп с вольфрамовым торированно-карбидированным катодом, двумя или более сеточными электродами, включающий форсированный режим работы катода, отличающийся тем, что анодное напряжение подают на экранирующий сеточный электрод, обеспечивая необходимый уровень токового отбора с катода на экранную сетку, при этом заданный уровень выделяющейся на ней мощности поддерживают путем регулирования напряжения смещения на управляющей сетке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области проведения испытаний приборов и может быть использовано в процессе изготовления мощных генераторных ламп с вольфрамовым торированно-карбидированным катодом, двумя или более сеточными электродами.

В настоящее время без проведения ускоренных испытаний на надежность не может осуществляться оценка перспективности и экономичности разрабатываемых новых приборов, машин и предлагаемых конструктивных решений.

Проблемы разработки, стандартизации и внедрения ускоренных испытаний исследуются в математическом, физическом и инженерно-техническом аспектах. Математическая основа метода базируется на закономерностях процессов разрушения изделия в период эксплуатации и при проведении испытаний.

Методики испытаний приборов и их элементов имеют свою конкретную специфику, связанную с механической конструкцией и протекающими физико-химическими процессами. При этом существуют общие математические подходы, которые служат основой при разработке частных методик проведения испытаний.

Основной целью испытаний является получение результатов о надежности изделий в течение времени испытаний t_исп, меньше чем гарантированная долговечность t_гаран.

Методы испытаний подразделяются на испытания в нормальном и в форсированном режимах.

В работе [Белкин И.Л., Немцев Г.Г. Ускоренные испытания статорных обмоток асинхронных двигателей мощностью от 100 до 1000 кВт. Ускоренные испытания на надежность технических систем. 1-я Всесоюзная конференция по методам ускоренных испытаний. М. 1974. С.38-44] представлены результаты по испытанию статорных обмоток с изоляцией класса В. Ресурс работы электродвигателей, согласно указанным стандартам, достигает 12 18 лет. При проведении испытаний с большим коэффициентом ускорения необходимо получать прогнозируемые, достоверные результаты.

Предлагаемый способ основан на предположении, что отказ обмотки происходит вследствие пробоя одной из секций, причем все секции в статистическом смысле считаются равноправными. Вероятность безотказной работы обмотки записывается в виде ,

где P_i(t) - вероятность безотказной работы обмотки одной секции; m - число секций.

Подобный способ по проведению ускоренных испытаний в форсированном режиме представлен в [Жевтунов В.П., Меркулова В.Г., Перегудов В.Н. Разработка методов форсированных испытаний подшипников качения на долговечность. Ускоренные испытания на надежность технических систем. 1-я Всесоюзная конференция по методам ускоренных испытаний. М. 1974. С.45-52].

Аналогичные задачи проведения ускоренных испытаний возникают при эксплуатации мощных генераторных ламп.

В [Гуртовник А.Г., Роксман М.А., Гельнштейн М.И., Берлянт Г.Л. Надежность и испытание электровакуумных приборов. М.: Радио и связь, 1986. - 296 с.] представлены требования к электровакуумным приборам, основные виды проводимых испытаний и проводимый текущий контроль качества.

Комплексное проведение работ по повышению качества и надежности мощных генераторных ламп с вольфрамовым торированно-карбидированным катодом за счет использования новых конструкций, материалов и технологических процессов привело к существенному увеличению долговечности, которая в настоящее время для некоторых типов современных ламп превышает 10 тысяч часов. Такое положение требует пересмотреть подход к проведению испытаний на долговечность и перейти к широкому использованию ускоренных испытаний. При этом ускоренные испытания позволяют не только сократить затраты на их проведение, но, что еще более важно, повысить оперативность получения результатов и, тем самым, обеспечить своевременность принятия мер по устранению причин снижения качества.

Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности признаков является способ проведения ускоренных испытаний мощных генераторных ламп, представленный в монографии [Прилуцкий B.C. Вольфрамовый торированный карбидированный катод. ГУП Издательский дом «Руда и металлы». М., 2001. 150 с.]. Представленный анализ видов отказов и факторов, влияющих на срок службы, показывает, что решающим образом на долговечность вакуумных приборов с вольфрамовым торированно-карбидированным катодом влияет рабочая температура катода.

Повышение температуры катода уменьшает срок службы прибора с точки зрения сохранения его эмиссионной способности; повышает температуру всех внутренних элементов конструкции вакуумного прибора; снижает формоустойчивость катода и сеточных электродов; увеличивает паразитную термоэлектронную эмиссию сеток.

Таким образом, за счет повышения рабочей температуры катода удается перевести работу вакуумного прибора в форсированный режим.

Зависимость долговечности мощных генераторных ламп с вольфрамовым торированно-карбидированным катодом от температуры может быть описана выражением:

где D - долговечность срока службы; D ₀ - долговечность при температуре катода 2000 К; Т - температура катода, К.

Температура катода определяется током накала и параметрами катода:

где I_нак - ток накала, A;

d - диаметр проволоки катода, см;

N - число нитей катода;

_кк - коэффициент самооблученности катода;

- степень карбидирования;

m, - постоянные степенной функции, аппроксимирующей зависимость удельной мощности излучения от температуры;

n( ), ₀( ) - функции, аппроксимирующие зависимость удельного сопротивления от температуры.

За теоретический коэффициент ускорения K_ускор принимается отношение долговечности (срока службы) мощных генераторных ламп в нормальном режиме D_норм к долговечности в ускоренном режиме D_ускор:

Величина коэффициента ускорения K_ускор ограничена температурой катода: изменение температуры всего на 50°С в области нормальной рабочей температуры катода меняет срок его службы примерно в три раза. Форсированный режим работы катода приводит к существенному изменению как свойств используемых материалов, так и условий обеспечения эмиссионного тока катода.

Напряжение накала в ускоренном режиме определяется по усредненной накальной характеристике U_нак =f(I_нак) и рассчитанному значению тока накала

Основным недостатком прототипа является то, что испытаниям подвергается исключительно вольфрамовый торированно-карбидированный катод и его эмиссионные свойства. Представленные через определенные промежутки времени данные по уровню анодного тока и напряжения запирания сетки не дают полного представления о состоянии сеточных электродов мощных генераторных ламп.

При испытании все генераторные лампы включаются в режим эквивалентного диода, когда управляющий сеточный электрод находится под потенциалом анода, а все остальные электроды не подключены. При этом следует подчеркнуть, что в рабочем режиме наиболее нагруженным электродом в конструкции многоэлектродной генераторной лампы является экранирующая сетка.

К сеточным электродам мощных генераторных ламп предъявляются очень жесткие эксплуатационные требования, выполнение которых определяет качество выпускаемой продукции. Сетка представляет собой сложную решетчатую конструкцию с определенной степенью прозрачности. Для ее изготовления используется молибденовая или вольфрамовая проволока. В процессе работы сеточные узлы, располагающиеся непосредственно в зоне электронного потока, должны обеспечивать высокое тепловое рассеивание, сохранять свои геометрические характеристики и обладать малым коэффициентом вторичной и термоэлектронной эмиссии. Для большинства типов мощных генераторных приборов установленная норма паразитной термоэлектронной эмиссии составляет 10^-5 А/см². Для достижения высоких антиэмиссионных свойств сеточных электродов используются многослойные покрытия с оконечным использованием платины Pt.

Известно, что при высоких температурах в многокомпонентных материалах происходит интенсивная встречная диффузия металлов. Анализ сеточных электродов после их эксплуатации в работающем приборе показал, что в зависимости от рабочей температуры сеточного электрода (превышающая 1500 К) активно протекают следующие диффузионные процессы: диффузия платины в сеточное полотно (молибден или вольфрам) и встречная диффузия металла сеточного полотна в платину. Появление вследствие диффузии металла сеточного полотна на внешней стороне антиэмиссионного покрытия приводит к постепенному снижению, а в последующем к потере рабочих свойств сеточного электрода и выходу прибора из строя.

Таким образом, срок службы генераторных ламп определяется не только долговечностью работы вольфрамового торированно-карбидированного катода, но и долговечностью антиэмиссионных сеточных покрытий, в конечном итоге определяемой временем диффузии металла сеточного полотна в сформированное антиэмиссионное покрытие.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа проведения испытаний на долговечность мощных генераторных ламп, оценивающего состояние не только вольфрамового торированно-карбидированного катода, но и свойства сеточных электродов мощной генераторной лампы.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе проведения ускоренных испытаний на долговечность генераторных тетродов с вольфрамовым торированно-карбидированным катодом, двумя или более сеточными электродами, включающем форсированный режим работы катода, анодное напряжение подают на экранирующий сеточный электрод, обеспечивая необходимый уровень токового отбора с катода на экранную сетку, при этом заданный уровень выделяющейся на ней мощности поддерживают путем регулирования напряжения смещения на управляющей сетке.

Использование предлагаемого способа проведения ускоренных испытаний мощных генераторных тетродов позволяет в процессе работы нагрузить не только вольфрамовый торированно-карбидированный катод, но и основные сеточные электроды прибора, что позволяет при проведении испытаний получить максимальную и близкую к эксплуатационным условиям работы лампы информацию о свойствах работающих узлов.

Повышение достоверности комплексной оценки качества многоэлектродных генераторных ламп в предлагаемом режиме испытаний достигается одновременным повышением температуры катода, температуры экранирующей, а при необходимости и управляющей сеток.

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами.

Фиг.1 - электрическая схема включения мощной генераторной лампы (тетрода) с экранирующим сеточным электродом при проведении испытаний.

Фиг.2 - шлиф сеточного полотна с явно выраженной картиной встречной диффузии элементов: Pt (антиэмиссионное покрытие) и молибдена Мо (материал сеточного полотна) - а, и распределение элементов на шлифе сеточного полотна экранирующей сетки - б.

Фиг.3 - зависимость эмиссионной способности катода I_{2 ТЭ} - а; и термоэлектронной эмиссии экранирующей сетки I_4ТЭ - б от времени проведения ускоренных испытаний t_исп.

Электрический стенд включения генераторного тетрода 1 с цилиндрической конструкцией электродов для проведения ускоренных испытаний представлен на фиг.1.

Конструкция электровакуумной лампы 1 состоит из прямонакального катода 2 управляющего сеточного электрода 3, экранирующего сеточного электрода 4 и внешнего анода 5.

Для включения прямонакального вольфрамового торированно-карбидированного катода используется электрическая цепь питания, состоящая из накального трансформатора 6 вырабатывающего задаваемое напряжение U_нак и контролируемое вольтметром 7. Ток накала I _нак контролируется амперметром 8.

На управляющий сеточный электрод 3 включен источник постоянного напряжения 9. Контроль задаваемого на сеточный электрод 3 напряжения U _c1 осуществляется вольтметром 10. Ток, протекающий по цепи управляющего электрода I_c1, контролируется амперметром 11.

На экранирующий сеточный электрод 4 включен источник 12. Контроль задаваемого на сеточный электрод напряжения +U_c2 осуществляется вольтметром 13. Ток, протекающий в цепи экранирующего сеточного электрода I_с2, контролируется амперметром 14.

Анод 5 при проведении испытаний не подключается и находится под плавающим потенциалом. Роль анода при проведении ускоренных испытаний выполняет экранная сетка 4. Источник +U_с2 обеспечивает задаваемую электронную нагрузку на сетку 4.

Количество электронов, достигающих эквивалентного анода 4, зависит не только от потенциала Uc ₂, но и от величины и полярности напряжения U_c1 , прикладываемого между управляющей сеткой 3 и катодом 2.

При выборе коэффициента ускорения K_ускор исходили из того, что при K_ускор >10 относительная экономия времени испытаний составляет лишь величину 0.035 (при длительности нормальных испытаний 3 000 ч экономия составляет всего лишь 100 ч).

При коэффициенте ускорения K_ускор 10 экономия времени испытаний уже составляет более 90%. Напряжение накала при этом увеличивается примерно на 10%, что позволяет наиболее эффективно нагрузить катодный узел и сеточные электроды, интенсифицируя при этом протекание физических процессов в испытываемой генераторной лампе.

В режиме проведения ускоренных испытаний электровакуумной лампы устанавливаемое напряжение накала определяется по усредненной накальной характеристике U _нак=f(I_нак) и рассчитанному значению тока накала I_ускор.

Температура катода T_кат влияет на ход вольт-амперных характеристик только в области насыщения, при этом следует отметить, что с ростом температуры T_кат увеличивается значение анодного тока насыщения I_{а нас}.

В процессе ускоренных испытаний контроль электрических параметров лампы с выходом на контрольные рабочие режимы осуществляется через каждые 100 часов непрерывной работы.

В процессе работы нагрев сеточных электродов обусловлен мощностью электронной бомбардировки сетки P_c и излучением на сетку других электродов прибора Q_c и главным образом катода. Отвод тепловой мощности сетки осуществляется излучением проводников сеточного полотна Е_c и теплопередачей за счет теплопроводности Q по проводникам к ее выводам. В этом случае тепловой режим сетки в общем случае будет определяться соотношением

P_c+Q_c=E_c+Q .

Математический расчет теплового режима показывает, что вклад электронной составляющей в нагрев сеточного электрода не превышает 30% от суммарной тепловой мощности, выделяющейся на сетке. Таким образом, проведение испытаний при повышенном уровне мощности накала катода и, соответственно, его температуры приводит к увеличению температуры сеточных электродов.

Теплообмен в системе сетка - катод определяется формулой Христиансена

где Q - результирующий тепловой поток; T_K и Т_C - температура катода и сетки; S _K и S_C - площадь катода и сетки.

При этом следует учитывать, что сеточный узел воспринимает не весь тепловой поток, излучаемый и отражаемый поверхностью катода, а только его часть, падающую на поверхность сетки. Это можно приближенно учесть, введя в расчетное выражение вместо полной площади поверхности катода S_K ее часть, равную S_K, где - угловой коэффициент облученности проводников сетки плоской поверхностью катода. Угловой коэффициент облученности для системы «плоскость - траверсы диаметром d_c» при расстоянии между траверсами a можно рассчитать по формуле .

В теплообмене с катодом участвует только внутренняя сторона сетки, поэтому в расчетном выражении для результирующего теплового потока учитывают только половину поверхности сетки:

где _к - коэффициент излучения катода; T_к - температура катода.

Результирующий тепловой поток излучения с сетки на анод при условиях и можно представить в виде

откуда определяется температура сеточного электрода:

где

Для обеспечения проведения режима ускоренных испытаний экранирующего сеточного электрода 4 необходимо, за счет повышения рабочей температуры, увеличить скорость встречной диффузии металлов, достигаемую путем выбора напряжения, задаваемого на управляющий 3 и экранирующий 4 электроды.

Диффузия в многокомпонентных системах определяет возможность фазовых превращений, в основе которых лежит перераспределение атомов различных элементов, а также скорость превращений, зависящую от скорости перемещения отдельных атомов. Результатом диффузии при постоянной температуре является выравнивание химических потенциалов. При рассмотрении условий задачи встречной диффузии следует подчеркнуть, что диффузия платины в материал сеточного полотна (с радиусом проволоки 0.5 10^-3 м) устанавливается как бесконечность, а диффузия материала сеточного полотна в платину имеет в этом случае конечную величину, определяемую толщиной слоя антиэмиссионного покрытия до 10^-5 м.

Молибден и вольфрам растворяют платины очень мало и лишь при высоких температурах, и напротив - растворимость этих металлов в платине очень высока и достигает до 20% (ат) для молибдена и 37 50% (ат) для вольфрама. При температуре 1500 1700 К в зоне реакции между платиной и молибденом помимо твердых растворов на основе чистых , металлов образуются промежуточные , и фазы, обладающие высокой прочностью и значительной хрупкостью. Из-за высокой диффузионной подвижности компонентов зона диффузии достигает значительных размеров.

Объемная диффузия молибдена фиксируется по всей толщине антиэмиссионного покрытия. Диффузия платины проходит вдоль граней кристаллов и фиксируется на глубине более 10 мкм (фиг.2, а). Распределение элементов по шлифу, полученное с помощью растрового электронного микроскопа, представлено на фиг.2, б. Наблюдаемые на фотографиях крупные зерна молибдена говорят о его рекристаллизации.

Коэффициент диффузии вдоль границ зерен намного превышает коэффициент объемной диффузии, что объясняется большой величиной энергии объемной диффузии.

Диффузию по границам зерен, протекающую в десятки раз быстрее, чем объемная решетчатая диффузия, различают трех типов: А, В и С. В первом случае наблюдается сильная диффузия по кристаллической решетке, приводящая к перекрыванию диффузионных полей соседних зерен (фиг.2, а). Диаграмма состояния молибдена и платины имеет сложный характер и содержит 7 однофазных областей.

Для диффузии материалов справедлив второй закон Фика:

где - коэффициент диффузии в металл, Q - энергия активации диффузии, концентрация углерода на расстоянии от поверхности контакта через время после начала взаимодействия.

Для исследования характера миграции атомов металла в антиэмиссионном покрытии в зависимости от температуры целесообразно использовать коэффициент взаимной диффузии компонентов, рассчитываемый по методу Даркена:

где С_Mo и C_Pt - концентрации компонентов Мо и Pt; k - постоянная Больцмана, T - температура; D_Mo - коэффициент диффузии атомов Мо в Pt при бесконечном разбавлении; D_Pt - коэффициент диффузии атомов Pt в Мо при бесконечном разбавлении; ( ²G/ C²)_T,p - вторая производная от термодинамического потенциала по концентрации при постоянных температуре и давление.

Решение Даркена говорит о том, что каждый из компонент Мо и Pt в бинарной системе имеет свой собственный коэффициент диффузии D_Mo и D_Pt, при этом коэффициенты диффузии не равны между собой.

Расчет коэффициента взаимной диффузии, проводимый по методу Больцмана - Мотано с использованием экспериментальных данных о концентрационном профиле, можно рассчитать по формуле:

где x(С) - зависимость пространственной координаты от концентрации; xM(C) - положение плоскости Мотано, определяемое:

Получено, что однородный раствор замещения Мо - Pt теряет термодинамическую устойчивость, в результате чего происходит образование промежуточных фаз и соединений. Это положение находится в хорошем соответствии с рентгенографическими данными, на котором наблюдается наличие твердых растворов.

В диффузионной зоне возможно образование всех промежуточных фаз и соединений, которые соответствуют равновесной диаграмме. Поэтому в диффузионной области кроме чисто молекулярной диффузии и направленного макроскопического потока компонента (эффект Киркендала) происходит интенсивное фазовое образование. Эти процессы препятствуют "свободной" - чисто диффузионной миграции атомов компонентов, и движение атомов молибдена к поверхности образца, по сравнению с диффузией в однородных твердых растворах, будет замедленно. В общем случае, скорость движения атомов определяется кинетикой образования и роста фаз, кинетикой движения самих фаз и диффузионной кинетикой, то есть характерными временами.

Рассчитываемый коэффициент взаимной диффузии следует рассматривать как эффективную или интегральную величину, позволяющую отработать методический подход к определению диффузионных процессов и получить информацию о процессах, протекающих в системе. При этом следует учитывать, что в каждом конкретном случае встречные коэффициенты диффузии определяются режимом работы генераторной лампы, рабочей температурой сеточного электрода, толщиной антиэмиссионного покрытия, наличием дополнительных материалов, типом и размерами сеточного полотна.

Для проверки механического состояния сеточного электрода: наличия частичного разрушения нитей сеточного полотна под воздействием высокой температуры, деформации и локального уменьшения межэлектродного расстояния сетка - катод используется параметр напряжение запирания - U_{зап 2}. Для этого на управляющий электрод 3 задается большой отрицательный потенциал, приводящий к уменьшению тока на эквивалентный анод 4. Если с увеличением напряжения запирания U_c1 ток I_c2 не уменьшается, то это говорит о появлении дефектов в структуре сеточного электрода.

Электрические параметры, характеризующие работоспособность генераторной лампы в процессе испытаний, и допустимые границы изменения контролируемых параметров представлены на фиг.3:

а - зависимость эмиссионной способности катода I_{2 ТЭ}, на котором указан исходный уровень эмиссионного тока катода I_{2 ТЭ исходн} , условно взятый за единицу, и допустимые границы изменения эмиссионного тока, ограниченные - I_{2 ТЭ ограничит};

б - зависимость термоэлектронной эмиссии экранирующего сеточного электрода I_{4 ТЭ}, на котором указан исходный уровень термоэлектронной эмиссии экранирующей сетки I_{4 ТЭ исходн}, условно взятый за единицу, и допустимые изменения тока термоэлектронной эмиссии, ограниченные - I_{4 ТЭ допост} .

Реализация предлагаемого метода ускоренных испытаний заключается в следующем. Мощная генераторная лампа с параметрами номинального накала U_нак=9.0 В и I_нак=133 А устанавливается на ускоренные испытания t=750 ч с коэффициентом ускорения K_ускор=10 при напряжении накала U_нак =9.8 В и токе накала I_нак=157 А в соответствии с электрической схемой, представленной на фиг.1.

В табл.1 сведены электрические режимы проводимых испытаний: в статическом режиме коэффициент ускорения K_ускор=1; в режиме аналоговых испытаний коэффициент ускорения K_ускор=10; в режиме предлагаемых испытаний коэффициент ускорения K_ускор =10.

Таблица 1
Режимы проводимых испытаний
Параметр	Рабочий режим (статический)	Режим испытаний (аналог)	Режим испытаний (предлагаемый)
Kускор	1	10	10
t исп, [час]	7500	750	750
U нак ном, [B]	9.0	9.8	9.8
I нак ном, [A]	133	157	157
U а, [B]	8000	-	-
U c1, [B]	-100	+50	-15
I c1, [A]	-	2.5	-
P c1, [Вт]	-	125	-
U c2, [В]	1000	-	+100
I c2	2.5 мА	-	2.5 А
P c2 доп, [Вт]	10	-	250

В процессе ускоренных испытаний контроль электрических параметров лампы с выходом на контрольные рабочие режимы осуществляется через каждые 100 часов непрерывной работы (табл.2).

Таблица 2
Результаты ускоренных испытаний катода и сеточныхэлектродов
tисп , [час]	0	100	200	300	400	500	700
Iнак,[А]	133	133	133	135	135.5	136	137
Iа имп ,[А]	26.5	26.5	26.0	25.8	25.2	24.8	24.5
Uзап,[В]	-51	-55	-55	-55	-56	-54	-55
I3 ТЭ ,[мА]	0.83	0.83	0.85	0.87	0.90	0.92	0.92

Лампы считаются выдержавшими ускоренные испытания, если в процессе и после испытаний: определяемые внешним осмотром; отсутствуют обрывы электродов и короткие замыкания между ними, определяемые при проверке электрических и эксплуатационных параметров; тока накала, а также термоэлектронный ток сеточных электродов находятся в пределах норм, отсутствуют механические повреждения.

Сравнительные испытания многих партий ламп в нормальном и ускоренном режимах подтвердили неизменность характера отказов, одинаковость изменения информативных параметров и соответствие экспериментального коэффициента ускорения расчетному.

Такой подход целесообразно использовать для оценки долговечности и надежности генераторных ламп с вольфрамовым торированно-карбидированным катодом и с экранирующим сеточным электродом в конструкции.