3.3. Разработка катодного узла
3.3.1. Расчет параметров катода
При разработке катодного узла новой рентгеновской трубки в первую очередь было необходимо понять, сможет ли обеспечить вольфрамовый катод с известной геометрией и подаваемой на него мощностью накала необходимый ток эмиссии. Геометрия катода рентгеновской трубки 0,3РСВ1-Cr повторяет геометрию катода трубки-аналога TFS-3007-HP. Для этой цели был произведен расчет основных параметров катода (температура, ток эмиссии, долговечность) [19].
В качестве исходных данных для расчета выбирались мощность накала и геометрия катода.
Ниже приведены основные формулы, а также результаты расчета.
dw = 0,124 мм диаметр проволоки катода
dk = 0,4 мм диаметр керна
N = 10 число витков
lk = 3 мм длина катода
Imax = 2,1 А максимальное значение катодного тока
Umax = 2,5 В максимальное значение катодного напряжения
T = 2500 К рабочая температура катода
I' = 1526 А ток единичного катода (при T=2500К)
U' = 143.6∙10-3 В напряжение ед. катода (при T=2500К)
M' = 6.63∙10-9 г/с скорость испарения ед. катода (при T=2500К)
lw
= 
мм длина нити катода
Ik
= 
2.1 А ток накала
Uk
=
= 2.2 В напряжение накала
Ie
= 
= 0.019 А = 19 мА ток эмиссии
t
= 
= 448 часов долговечность катода
Как видно из результатов, вольфрамовый катод при заданных мощности накала и геометрии в состоянии обеспечить ток эмиссии равный 19 мА. Это значение почти в 2 раза выше необходимых 10 мА. При этом долговечность такого катода гарантируется более 400 часов, что удовлетворяет условиям поставленной задачи.
3.3.2. Изготовление и испытание макетов катода
Для того чтобы удостовериться в правильности теоретического расчета, был разработан и собран в количестве 2-х штук макет катода на базе катодного узла рентгеновской трубки 0,2БПМ33-100. Макеты представляют собой вакуумные диоды в роли анода, в которых выступает фокусирующая головка катода, электрически изолированная от обоих выводов катода.
В ходе эксперимента были измерены ток эмиссии катода при различных напряжениях смещения (анодных напряжениях; табл.5,6, рис.45), что позволило измерить эмиссионную способность катода, и дало возможность определить, сможет ли катод обеспечить необходимую эмиссию в уже готовой рентгеновской трубке. Кроме этого была снята вольтамперная характеристика накала (табл.7, рис.46) в макетах, а также на одном из них измерена температура спирали катода при различных величинах тока накала (табл.8, рис.47).
Измерение температуры производилось портативным инфракрасным пирометром Cyclops 100b фирмы «Land» (рис.44). Он позволяет производить высокоточные измерения в диапазоне температур от 550 до 3000°С. Измеряемая температура появляется на дисплее в четырех одновременных значениях: продолжительное, пиковое, основное и среднее, которое пользователь может видеть на дисплее видоискателя. Ниже представлены результаты испытаний макетов.
Рис. 44. Портативный инфракрасный пирометр Cyclops 100b
Проверка эмиссионной способности катодов
Макет №1
Таблица 5
Анодное напряжение, В |
Ток анода, мА |
|||
Iн1=1,9 А |
Iн1=2,0 А |
Iн1=2,1 А |
Iн1=2,15 А |
|
0 |
0,24 |
0,35 |
0,46 |
0,52 |
5 |
0,85 |
1,18 |
1,48 |
1,65 |
10 |
1,33 |
2,05 |
2,75 |
3 |
15 |
1,6 |
2,3 |
4 |
4,55 |
25 |
1,9 |
3,7 |
6,2 |
7,5 |
50 |
2,2 |
4,55 |
9 |
12,1 |
100 |
2,3 |
5,1 |
10,7 |
15 |
150 |
|
5,3 |
11,5 |
16,4 |
200 |
2,35 |
5,4 |
12 |
17,4 |
250 |
|
5,5 |
12,3 |
17,8 |
299 |
|
|
12,7 |
|
Макет №2
Таблица 6
Анодное напряжение, В |
Ток анода, мА |
|||
Iн2=1,9 А |
Iн2=2,0 А |
Iн2=2,1 А |
Iн2=2,15 А |
|
0 |
0,24 |
0,32 |
0,41 |
0,46 |
5 |
0,85 |
1,18 |
1,46 |
1,6 |
10 |
1,32 |
2,1 |
2,75 |
3,05 |
15 |
1,65 |
2,9 |
4,1 |
4,6 |
25 |
1,9 |
3,9 |
6,9 |
7,6 |
50 |
2,2 |
4,95 |
9,6 |
12,5 |
100 |
2,45 |
5,7 |
11,6 |
15,8 |
150 |
2,6 |
6 |
12,5 |
17,2 |
200 |
2,75 |
6,3 |
13,2 |
18,2 |
250 |
2,8 |
6,55 |
13,7 |
18,8 |
299 |
3,15 |
6,8 |
14,1 |
19,4 |
Вольтамперная характеристика катодов
Таблица 7
Ток катода, А |
Напряжение катода, В |
|
Макет №1 |
Макет №2 |
|
1,5 |
1,1 |
1 |
1,75 |
1,5 |
1,45 |
1,9 |
1,85 |
1,8 |
2 |
2,05 |
2 |
2,1 |
2,3 |
2,25 |
2,15 |
2,4 |
2,35 |
Измерение температуры катода (макет №2)
Таблица 8
Ток накала, А |
Температура спирали, ºC |
1,5 |
1539 |
1,75 |
1758 |
1,9 |
1898 |
2 |
1996 |
2,1 |
2045 |
2,15 |
2111 |
Рис. 45. Зависимость тока анода от анодного напряжения при различных значениях тока катода
На графике (рис. 45) видно, что при максимально допустимом значении тока накала Iн=2,1А, а также напряжении анода Uа=300В, ток эмиссии с катода уходит в область насыщения и равен при этом Iа2=13мА и Ia1=12,5мА для макета №2 и №1 соответственно. Оба значения выше величины требуемого анодного тока Iа=10мА, что дает гарантию получения необходимого тока эмиссии в собранной рентгеновской трубке 0,3РСВ1-Cr при ее работе в номинальном режиме.
Чертеж, а также фотографии макетов катодных узлов представлены в приложении 1.
Рис. 46. Вольтамперная характеристика катодов
Рис. 47. Зависимость температуры спирали катода от тока, проходящего через катод
Кривая зависимости температуры катода от тока накала, а также вольтамперные характеристики катодов вполне соответствуют теоретическим предсказаниям.