專利名稱：一種提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空電子技術(shù)領(lǐng)域，是應(yīng)用于空間行波管的陰極熱子組件提高加熱效 率的結(jié)構(gòu)及制備方法。
背景技術(shù)：
空間(衛(wèi)星)行波管及放大器是空間技術(shù)領(lǐng)域中的關(guān)鍵部件之一，作為微波功率 放大源在各類軍、民用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上承擔(dān)和發(fā)揮著數(shù)據(jù)傳輸、通信導(dǎo)航定位以及電子偵察 對(duì)抗等功能和作用。熱陰極作為微波電真空器件的核心部件，其技術(shù)水平往往決定了器件整體應(yīng)用性 能的高低。尤其對(duì)于空間行波管而言，由于服役時(shí)間長(zhǎng)、電源容量有限，因此對(duì)陰極熱子組 件技術(shù)的要求就更高。不僅要滿足整管的陰極發(fā)射電流密度指標(biāo)，而且必須使陰極工作在 高效率、低消耗狀態(tài)(即盡可能地降低熱子功率)，從而使陰極壽命足夠長(zhǎng)。陰極熱子組件工作在超高真空環(huán)境中，因此熱量的傳遞主要是通過(guò)傳導(dǎo)和輻射的 方式進(jìn)行的。在相同的熱子加熱功率條件下，減少熱傳導(dǎo)和熱輻射是提高陰極熱子組件加 熱效率的必然途徑。在陰極熱子組件制備中采取難熔金屬材料制成的熱屏，可以減少熱輻射，并且通 過(guò)降低熱屏材料的厚度使得熱傳導(dǎo)截面積減少，從而可以提高加熱效率，但是厚度過(guò)小，熱 屏材料的強(qiáng)度將顯著減低，這樣熱屏筒對(duì)陰極的支撐強(qiáng)度弱，從而無(wú)法滿足空間行波管等 空間器件十分嚴(yán)酷的環(huán)境試驗(yàn)條件，如沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)及制備方法，克服現(xiàn) 有技術(shù)中熱屏筒厚度和加熱效率之間的矛盾，在滿足空間行波管?chē)?yán)酷的環(huán)境條件的前提 下，獲得高的加熱效率，降低陰極熱子組件工作時(shí)的熱負(fù)荷，以提高組件的工作可靠性。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)，包括陰極、陰極鉬筒、熱子組件、熱屏筒、 陰極底座；其熱屏筒為上下對(duì)稱、表面橫向開(kāi)隔熱槽的圓筒，整個(gè)熱屏筒上的隔熱槽層數(shù)為 2-4層，每層之間等距；每一層圓周的隔熱槽數(shù)量至少為二個(gè)，對(duì)稱設(shè)置，相鄰二層上的隔 熱槽之間錯(cuò)位對(duì)稱設(shè)置；隔熱槽的寬度為0. 2-0. 5mm。所述的提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)，其所述熱屏筒采用厚度為0. 05mm的 難熔金屬或合金皮料。所述的提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)，其所述難熔金屬或合金，為鉬(Mo)、鎢 (W)、錸(Re)、鉭(Ta)、鈮(Nb)中的一種或幾種。所述的提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)，其所述每一層圓周的隔熱槽數(shù)量為二 個(gè)時(shí)，180度對(duì)稱設(shè)置，相鄰二層上的隔熱槽之間90度對(duì)稱設(shè)置。一種所述的提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括步驟
a)常溫下，采用電火花切割熱屏筒上的隔熱槽，成形后；b)在真空或氫氣氣氛中，850-1000°C高溫中凈化退火，保溫時(shí)間20_40分鐘；c)自然冷卻得成品，備用。所述的制備方法，還包括組裝步驟d)，常溫下，采用電阻焊方法點(diǎn)焊，使熱屏筒的 上、下兩端分別與陰極鉬筒、陰極底座實(shí)現(xiàn)牢固點(diǎn)連接；焊點(diǎn)在接觸面圓周上對(duì)稱、均勻分 布，為6-8點(diǎn)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于難熔金屬鉬(Mo)、鎢(W)、錸(Re)、鉭(Ta)、鈮(Nb)及其合金具有的共同特點(diǎn)是熱 傳導(dǎo)系數(shù)較低，且熔點(diǎn)較高，適合作為高溫?zé)崞敛牧?。熱屏筒表面橫向開(kāi)隔熱槽的結(jié)構(gòu)，用延長(zhǎng)熱傳導(dǎo)路徑、減少接觸面積的方法，減少 傳導(dǎo)熱量，顯著降低熱子功耗，從而提高陰極熱子組件的加熱效率。并通過(guò)點(diǎn)焊方法使熱 屏筒與陰極鉬筒、陰極底座實(shí)現(xiàn)局部點(diǎn)連接，從而制作成可靠性高、結(jié)構(gòu)牢固的陰極熱子組 件。


圖1為陰極熱子組件示意圖；圖2為本發(fā)明陰極熱子組件中的熱屏筒結(jié)構(gòu)展開(kāi)示意圖；圖3為本發(fā)明的陰極熱子組件結(jié)構(gòu)與原有組件結(jié)構(gòu)對(duì)比陰極溫度與熱子加熱功 率關(guān)系曲線圖；圖4為本發(fā)明的陰極熱子組件結(jié)構(gòu)與俄羅斯進(jìn)口組件對(duì)比的陰極溫度與熱子加 熱功率關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)及制備方法，在滿足空間行波管 嚴(yán)酷的環(huán)境試驗(yàn)條件的前提下，通過(guò)采用熱屏筒表面開(kāi)隔熱槽的結(jié)構(gòu)，以及選擇機(jī)械強(qiáng)度 高的難熔金屬合金材料等方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)中的熱屏筒厚度和加熱效率之間的矛盾。 這種結(jié)構(gòu)的陰極熱子組件應(yīng)用于X、Ku、Ka波段等多種空間行波管的研制，獲得了很高的 加熱效率。在相同的陰極溫度條件下，陰極熱子組件的加熱效率比原有結(jié)構(gòu)的組件提高了 30%以上，從而降低了陰極熱子組件工作時(shí)的熱負(fù)荷，大大提高組件的工作可靠性。本發(fā)明在基本不影響陰極熱子組件整體強(qiáng)度的情況下使得陰極熱子組件的加熱 效率得到了明顯地提高，而且該結(jié)構(gòu)的制備工藝可控性強(qiáng)、制作成本低。
熱傳導(dǎo)的基本公式為Q = KXAX Δ T/Δ L其中Q代表為熱量，也就是熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生或傳導(dǎo)的熱量；K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，A為傳熱的面積；Δ T代表兩端的溫度差；Δ L則是兩端的距離。從公式中就可知，熱量傳遞的大小同熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱傳熱面積成正比，同距離成反比。熱傳遞系數(shù)越高、熱傳遞面積越大，傳輸?shù)木嚯x越短，那么熱傳導(dǎo)的能量就越高，也就越 容易帶走熱量。應(yīng)用于X、Ku、Ka波段空間行波管的陰極熱子組件如圖1所示，其主要包括有陰極
1、陰極鉬筒2、熱子組件(含氧化鋁粉末燒結(jié)體)3、熱屏筒4、陰極底座5等部分組成。陰極 熱子組件的熱量由熱子產(chǎn)生，通過(guò)氧化鋁粉末燒結(jié)體向陰極、陰極鉬筒以及熱屏筒傳導(dǎo)和 輻射。因此控制熱屏筒的熱量損失是提高陰極熱子組件加熱效率的重要途徑。而由于陰極 熱子組件的尺寸較小、熱輻射面積也相對(duì)較小，因此熱傳導(dǎo)是熱量耗散的主要方式。陰極熱 子組件熱傳導(dǎo)的主要途徑是通過(guò)與陰極鉬筒接觸的熱屏筒將熱量傳導(dǎo)至陰極底座來(lái)完成 的。選擇厚度為0. 05mm的難熔金屬或合金皮料作為熱屏材料，其中難熔金屬或合金 元素為鉬(Mo)、鎢(W)、錸(Re)、鉭(Ta)、鈮(Nb)中的一種或幾種。它們具有共同的特點(diǎn)是 熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，且熔點(diǎn)較高，適合作為高溫?zé)崞敛牧稀崞镣驳慕Y(jié)構(gòu)為表面橫向開(kāi)隔熱槽的圓筒，如圖2所示。每個(gè)圓周的隔熱槽數(shù)量 為2個(gè)，180度對(duì)稱；整個(gè)熱屏的隔熱槽層數(shù)為2-4層，每層之間等距，并90度對(duì)稱；隔熱槽 的寬度為0. 2-0. 5mm。采用電火花切割加工成形熱屏筒的隔熱槽。加工完成后的熱屏筒在真空或氫氣氣 氛中，850-1000°C高溫凈化退火，保溫時(shí)間20-40分鐘。熱屏筒4上下對(duì)稱，可以采用接觸電阻點(diǎn)焊方法使得上下兩端分別與陰極鉬筒2、 陰極底座5實(shí)現(xiàn)牢固連接，焊點(diǎn)在接觸面圓周上對(duì)稱、均勻分布，共6-8點(diǎn)。本發(fā)明已經(jīng)應(yīng)用于X、Ku、Ka波段空間行波管的實(shí)際工程制管，陰極溫度與熱子加 熱功率的關(guān)系曲線如圖3所示。采用上述熱屏結(jié)構(gòu)制備的陰極熱子組件加熱效率比原有結(jié) 構(gòu)的組件提高30%以上。本發(fā)明制備的陰極熱子組件在陰極溫度為950度時(shí)的熱子加熱功率可以達(dá)到
2.4-2. 5W，比俄羅斯進(jìn)口的陰極熱子組件的加熱功率還低0. 3W左右，如圖4所示。本發(fā)明的陰極熱子組件結(jié)構(gòu)具有很高的加熱效率，制備方法的工藝簡(jiǎn)單、工藝成 本低，可控性強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)，包括陰極、陰極鉬筒、熱子組件、熱屏筒、陰 極底座；其特征在于熱屏筒為上下對(duì)稱、表面橫向開(kāi)隔熱槽的圓筒，整個(gè)熱屏筒上的隔熱 槽層數(shù)為2-4層，每層之間等距；每一層圓周的隔熱槽數(shù)量至少為二個(gè)，對(duì)稱設(shè)置，相鄰二 層上的隔熱槽之間錯(cuò)位對(duì)稱設(shè)置；隔熱槽的寬度為0. 2-0. 5mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述熱屏 筒采用厚度為0. 05mm的難熔金屬或合金皮料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述難熔 金屬或合金，為鉬、鎢、錸、鉭、鈮中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)，其特征在于所述每一 層圓周的隔熱槽數(shù)量為二個(gè)時(shí)，180度對(duì)稱設(shè)置，相鄰二層上的隔熱槽之間90度對(duì)稱設(shè)置。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征 在于包括步驟a、常溫下，采用電火花切割熱屏筒上的隔熱槽，成形后；b、在真空或氫氣氣氛中，850-1000°C高溫中凈化退火，保溫時(shí)間20-40分鐘；c、自然冷卻得成品，備用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于還包括組裝步驟d，常溫下，采用電阻 焊方法點(diǎn)焊，使熱屏筒的上、下兩端分別與陰極鉬筒、陰極底座實(shí)現(xiàn)牢固點(diǎn)連接；焊點(diǎn)在接 觸面圓周上對(duì)稱、均勻分布，為6-8點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高陰極熱子組件加熱效率的結(jié)構(gòu)及制備方法，涉及真空電子技術(shù)，應(yīng)用于X、ku、ka波段空間行波管的研制和生產(chǎn)。該熱屏筒材料為厚度為0.05mm的難熔金屬或合金皮料，熱屏筒的結(jié)構(gòu)為表面橫向開(kāi)隔熱槽的圓筒。該制備方法是采用電火花切割的加工方法在熱屏筒表面加工出規(guī)則形狀的隔熱槽，并通過(guò)點(diǎn)焊方法使熱屏筒與陰極鉬筒、陰極底座實(shí)現(xiàn)局部點(diǎn)連接。本發(fā)明結(jié)構(gòu)的陰極熱子組件可靠性高、結(jié)構(gòu)牢固，通過(guò)延長(zhǎng)熱傳導(dǎo)路徑、減少接觸面積的方法，減少傳導(dǎo)熱量，顯著降低熱子功耗，從而提高陰極熱子組件的加熱效率。且具有制備方法工藝簡(jiǎn)單、成本低，可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01J23/00GK102087946SQ20091024200
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者俞世吉, 劉韋, 孟鳴鳳, 樊會(huì)明, 蘇小保, 趙世柯, 邢艷榮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所