Физические основы работы МГЛ

Работа МГЛ основана на использовании явления термоэлектронной эмис­сии и электростатического управления электронным потоком. Рассмотрим работу простейшей электронной лампы — диода.

Нагретый прямым или косвенным накалом катод эмитирует в вакуум электроны, которые в соответствии со своими начальными скоростями мо­гут удаляться от его поверхности, преодолевая силу электрического (кулоновского) притяжения. В отсутствии внешнего поля вокруг катода создается электронное облако, которое понижает потенциал пространства между ка­тодом и анодом. При подаче на анод положительного напряжения мини­мум потенциала сокращается вплоть до полного уничтожения, и все боль­шая часть электронов достигает анода. Характер распределения потенциала между катодом и анодом показан на рис. 1. Отрицательное напряжение на аноде увеличивает потенциальный барьер и исключает попадание электро­нов на анод.

Эмиссия электронов подчиняется уравнению Ричардсона —Дэшмана, в соответствии с которым плотность тока эмиссии зависит от работы вы­хода материала катода и от его рабочей температуры (1):

(1)

где; eφ — работа выхода; к — постоянная Больцмана; T— температура ка­тода; А — теоретическая постоянная, равная 120,4 А/см².

При этом пока существует минимум потенциала, до анода долетают только те электроны, энергия которых больше потенциального барьера. В первом приближении ток анода может быть определен по закону степени трех вторых (5.2):

(2)

где: S_a — площадь поверхности анода; е, т — за­ряд и масса электрона; U_a - анодное напряжение; d ~ расстояние от катода до анода, f— коэффи­циент, учитывающий форму электродов.

При устранении минимума потенциала (U_a > U_s) все эмитированные катодом электроны до­стигают анода, и ток анода становится равным току эмиссии.

Первый режим (U_a < U_s) носит название режи­ма ограничения тока пространственным зарядом, а второй — режима насыщения или температур­ного ограничения. При небольших отрицатель­ных анодных напряжениях электроны с больши­ми начальными скоростями могут преодолевать потенциальный барьер и достигать поверхности анода. Этот режим назы­вается режимом начальных токов.

Рисунок 1.3.1

Пример анодной характеристики диода представлен на рис. 2. Замет­но, что с увеличением температуры катода переход в режим насыщения происходит при большем анодном напряжении, это объясняется увеличе­нием эмиссии с катода. В режиме насыщения анодный ток не остается по­стоянным, а линейно увеличивается, что связано с возрастанием напря­женности электрического поля и проявлением эффекта Шотки. При этом увеличение тока эмиссии может быть определено по формуле 3:

(3)

где Е — напряженность электрического поля у катода; I_e0 — ток эмиссии без учета влияния эффекта Шотки.

Режимы, при которых в цепь сетки подводится переменное напряже­ние, а в анодной цепи присутствует сопротивление нагрузки, принято на­зывать динамическими. Принципиальная схема включения триода, соот­ветствующая динамическому режиму приведена на рис. 3.

В динамическом режиме напряжение на аноде лампы непостоянно и равно

U_a = E_a-I_aR_a (4)

При изменении потенциала сетки происходит изменение тока анода и падения напряжения на нагрузке, а, следовательно, изменяется и анодное напряжение. Таким образом, величина анодного тока при динамическом режиме триода не будет определяться какой-либо статической характери­стикой триода, снятой при постоянном анодном напряжении.

Рисунок 1.3.2

Рисунок 1.3.3.

(5)

Выражение (5) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме применительно к триоду. Из него непосредственно следует, что кру­тизна динамической характеристики в системе координат I_a, U_cравна

(6)

Переходя в выражении (5) от бесконечно малых приращений к конеч­ным малым приращениям, полагая постоянными величины S и Л., полу­чаем для амплитуд тока и напряжения анода:

и соответственно .

(7)

Рисунок 1.3.4

Отсюда можно определить динамический коэффициент усиления триода:

. (8)

Заключение.

Исходя из всего выше сказанного, автор считает, что расчет и проектирование системы водяного охлаждения анода МГЛ является важной частью его функционирования, т.к. даже незначительное превышение рабочих температур может снизить ресурс лампы, и даже вывести ее из строя.
Подавляющее большинство не гарантийных отказов МГЛ происходит в результате неисправности системы охлаждения. Применение систем водяного охлаждения и следование простым рекомендациям эксплуатации продлит срок службы генераторной лампы, и убережет от преждевременного выхода ее из строя.

Результатами обследований условий эксплуатации мощных генераторных ламп выявлено, что основной причиной выхода из строя МГЛ является техническое состояние эксплуатируемых установок, которое проявляется в следующем:
- недостаточный расход охлаждающей воды и воздуха;
- использование в системе охлаждения анода лампы вместо дистиллированной воды с удельным сопротивлением не менее 20 КОм•см обычной водопроводной воды с большим содержанием минеральных солей;

- физический износ анодного бака охлаждения с потерей формоустойчивости его конструкции;

- физический износ резиновой уплотнительной прокладки под фланец анода лампы;
- нарушение целостности диэлектрического шланга в системе охлаждения анода из-за высоковольтных пробоев;

- установка лампы в анодный бак без центровки, с приложением неравномерных усилий при посадке на уплотнительную прокладку, что приводит к нарушению вакуумной плотности МГЛ.

С целью повышения эксплуатационной надежности и долговечности МГЛ можно предложить следующие рекомендации:

1. Обеспечить расход охлаждающих воды и воздуха в соответствии с паспортными значениями на МГЛ.

2. Привести анодный бак охлаждения, уплотнительную прокладку и шланги высоковольтной развязки в состояние пригодное к эксплуатации.

3. При эксплуатации мощных генераторных ламп (МГЛ) руководствоваться ОСТ11.331.000-73 (Мощные генераторные лампы. Руководство по применению), основные требования которого изложены в паспорте на МГЛ.

Список источников

1. Анурьев В. И. Справочник конструктора машиностроителя. М.: Ма­шиностроение, 1967.

2. Гладков А. С, Подвигина О. П., Чернов О. В. / Под обшей ред. А. И. Шокина. Пайка деталей ЭВП. Сер. Электронное материаловедение. М.: Энергия, 1967. 283 с.

3. Кацман Ю.А. Электронные лампы: Теория, основы расчета и проек­тирования: Учебник для вузов, 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1979. 301 с, ил.

4. Ливинцева И.Ф., Прилуцкий B.C., Радченко Л.А. Методы химической очистки деталей ЭВП и ее интенсификация ультразвуковыми колеба­ниями. Обзоры по электронной технике. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. Вып. 1 (1607). М., 1991.47с.

5. Николаев Г.А., Ольшанский Н. А. Специальные методы сварки. М.: Ма­шиностроение, 1975.

6. Никонов Б.П. Оксидный катод. М.: Энергия, 1979.

7. Прилуцкий B.C. Вольфрамовый торированный карбидированный ка­тод. М.: Руда и металлы, 2001.

8. Пивоваров Г. Я., Саминский А. А. Технологические процессы электро­вакуумного производства. М.: Энергия, 1975.

9. Царев Б.М. Расчет и конструирование электронных ламп. М.-Л.: Госэ-нергоиздат, 1961. 672 с, ил.

10. http://universal_ru_en.academic.ru/ (Дата обращения 11.02.2016)

11. http://www.prom-sar.ru/ohlazhdenie-mgl.html (Дата обращения 10.02.2016)

12. http://mglsar.ru/ (Дата обращения 12.02.2016)