книги / Проектирование электронно-лучевых приборов

борт, по торцу которого экран соединяется с конусом; участок пе­ рехода от рабочей части к борту. Поверхность рабочей части представляет собой фрагмент 1 сферы или плоскости, имеющий в плане вид прямоугольника со скругленными сторонами и углами. Поверхность борта образована плавным сопряжением восьми ку­ сочно-линейчатых поверхностей 2 >каждая из которых состоит из 1 ... 3 конических поясов. Сопряжение борта с рабочей частью осу­ ществляется трубчатой поверхностью 3, имеющей постоянный ра­ диус и в качестве оси — пространственную кривую.

Конус представляется каркасной поверхностью, поперечные сечения которой постепенно изменяют свою форму от почти пря­ моугольной (со стороны экрана) до круглой на осесимметричном участке перехода к цилиндрической горловине. Направляющими каркасной поверхности, задающими закон перехода между попе­

рис. 3.22). Каждое из поперечных сечений представляется сопря­ жением дуг трех радиусов, что обосновано простотой и удобством использования при проектировании и изготовлении стеклоформу­ ющего инструмента. Станки с ЧПУ, обрабатывающие поверх­ ность инструмента «построчно», т. е. по последовательным попе­ речным сечениям, благодаря наличию в системах ЧПУ круговых

интерполяторов имеют возможность обработки каждой из дуг од­ ной командой, что позволяет существенно сократить объем управ­ ляющих программ обработки [71].

Для меридиональных сечений используется представление ку­ бическими сплайнами [71], отличающееся универсальностью и имеющее «механическое содержание». Кубический сплайн, по оп­ ределению [72], есть кривая, описывающая положение, которое займет упругая планка, закрепленная в точках, где задана интер­ полируемая функция (это положение соответствует минимуму по­ тенциальной энергии планки). При проектировании может быть задано произвольное число поперечных сечений, где определяют­ ся координаты кривых йн(г) и До (г), описывающих глав­ ные меридиональные сечения.

С использованием унифицированного описания появляется воз­ можность полной автоматизации так называемого геометрическо­ го проектирования, которое при традиционном подходе занимает достаточно много времени у конструкторов. Исходными данными для геометрического проектирования служат параметры базового сечения, сочленяющего экран с конусом, и главных меридиональ­ ных сечений экрана и конуса, имеющих стандартное представле­ ние, а результатом является полное и подробное численное опи­ сание конструкции баллона в виде каркасной поверхности, изо­ браженной на рис. 3.22. Это описание является, с одной стороны, исходным массивом данных для алгоритмов МКЭ, с другой — фор­ мой, в которой представляются окончательные результаты эскиз­ ного и технического проектирования баллонов, а также стекло­ формующего инструмента для их обработки.

С учетом особенностей МКЭ, а также на основе опыта, полу­ ченного в результате расчетов конкретных конструкций баллонов, построены специальные алгоритмы [73], осуществляющие авто­ матическое разбиение конструкции, заданной двумя каркасными поверхностями, на множество конечных элементов. При этом предусмотрена возможность управлять количеством элементов, вводить зоны их сгущения для более подробного описания геомет­ рии и более точного расчета в участках, где имеются резкие из­ менения кривизны поверхности или свойств материала (переход с экрана на борт, технологические наплывы и инородные включе­ ния различного характера, описанные выше как концентраторы напряжений). Использование средств визуализации расчетов (см. гл. 5) дает возможность проконтролировать разбиение для каж­ дого конкретного'случая и внести, если потребуется, необходимые поправки. Естественно, что при расчете осесимметричных балло­ нов реализация всех алгоритмов МКЭ упрощается.

Расчет термонапряжений в баллонах ЭЛП. В процессе термо­ вакуумной обработки (откачки) ЭЛП подвергаются нагреву до 250... 400° Отсюда возникает задача определения напряжений, вызванных действием термических нагрузок, и выдачи рекоменда­

ций по оптимизации температурного режима откачки [74]. При этом необходимо рассматривать прежде всего три наиболее опас­ ные с точки зрения термопрочиости зоны:

область максимальной толщины стекла, которая для большин­ ства приборов совпадает с зоной перехода от экрана к борту;

зоны вварки фиксаторов цветоделителыюй маски в цветных ЭЛП или узлов памяти ЗЭЛП (запоминающих ЭЛП);

зона ситаллоцементиого шва для баллонов, у которых экран соединяется с конусом склейкой.

В первом случае рост термоиапряжений обусловлен увеличе­ нием разницы температур на внешней и внутренней поверхностях, образующейся при нагреве (или охлаждении) баллона. Во вто­ ром и третьем случаях дополнительной причиной возникновения напряжений является разница в коэффициентах температурного расширения различных материалов (стекла, ситаллоцемента и металлов).

Для каждой из перечисленных опасных зон разработаны при­ ближенные модели, позволяющие оценивать уровень термонапря­ жений, возникающих под действием заданного изменения темпе­ ратуры внешней среды [74]. Реализация этой методики на ЭВМ позволяет строить оптимальные температурные режимы откачки таким образом, чтобы в каждый момент времени уровень термо­ напряжений не превышал предельно допустимой для него величи­ ны. Эта величина определяется как разность между допустимой величиной суммарных напряжений и уровнем напряжений, вы­ званных действием внешнего давления и остаточных деформаций.

На рис. 3.23 приведены типичная температурная кривая откачки и график соответствующих ей термона<пряжений. Как видно из рисунка, нагрев баллона можно осуществлять значительно быстрее, чем охлаждение, так как при нагреве растягивающие напряжения возникают на внутренней поверхности стекла, а при охлаждении — на внешней. Быстрое охлаждение баллона после достижения ма­ ксимальной температуры возможно до тех пор, пока температура на внешней поверхности не станет настолько меньше температуры внутренней поверхности, что напряжения на внешней поверхности станут растягивающими и достигнут предельно допустимого уровня.

Статистические методы исследования прочности баллонов ЭЛП. Как уже отмечалось, процессы разрушения конструкций из хрупких материалов необходимо описывать с помощью статисти­ ческих моделей. В их основе лежат положения вероятностных тео­ рий разрушения, которые в данном случае сводятся к рассмотре­ нию стекла как хрупкого однородного материала; прочность стек­

причиной статистической усталости стекла, а разрушение может

НДС в реальной конструкции баллона приводится к действию однородного поля напряжений введением специально подобран­ ного эквивалентного напряжения [66].

Экспериментальные методы исследования баллонов. Итоговое поле напряже­ ний в баллонах ЭЛП определяется суммарным воздействием напряжений, возни­ кающих после откачки прибора в результате разницы давлений, и остаточных напряжений, возникающих при изготовлении и сборке конструктивных элементов как следствие остаточных деформаций, которые являются результатом сложных процессов, не поддающихся моделированию и расчету (термопластичность, струк­ турные превращения и т. п.).

Откачные напряжения в реальных баллонах исследуются методом тензометрирования [75]. Датчики наклеиваются парами, в большинстве случаев по ли­ ниям основных меридиональных сечений, причем в каждой паре датчики ориен­ тируются перпендикулярно друг другу и включаются по мостовой схеме, которая уравновешивается на баллоне, подготовленном к откачке, а измерения напряже­ ний осуществляются на откачанном баллоне.

Для исследования остаточных напряжений используется теоретико-экспери­ ментальный метод [75], в котором рассчитываются остаточные напряжения при наперед заданном распределении остаточных деформаций. Коэффициенты этого распределения находят из эксперимента, основанного на использовании явления фотоупругости, измеряя с помощью лазерной установки один из компонентов напряжений в поверхностном слое стекла баллона, погруженного в иммерсион­ ную жидкость.

Помимо натурных испытаний реальных конструкций баллонов, большое зна­ чение для определения параметров статистических моделей прочности имеют испытания образцов на центрально-симметричный изгиб [75], которые проводятся на специальной установке, позволяющей задавать величину нагрузки, измерять с помощью тензодатчиков напряжения в различных направлениях, а также изме­ рять время разрушения (в тех случаях, когда эксперимент проводится до раз­ рушения). Теоретический расчет НДС, создаваемого на этой установке, показы­ вает совпадение экспериментальных данных с теоретическими в пределах 5 % разброса и позволяет градуировать экспериментальную установку. На той же установке можно исследовать образцы в широком диапазоне заданного измене­ ния температуры и влажности воздуха. Аналогично исследуются образцы, содер­ жащие инородные включения и образцы, склеенные ситаллоцементом.

Глава 4.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

4.1.ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Вгл. 1 электронно-лучевой прибор рассмотрен как объект про­ ектирования, проанализирована его структура и даны характери­ стики функциональных и конструктивных элементов вплоть до описания назначения отдельных поверхностей деталей. Посколь­ ку важнейшим узлом прибора является ЭОС, конструирование це­ лесообразно рассматривать, начиная с нее. Полученные в резуль­ тате структурного проектирования и расчетов ФЭ принципиаль­ ные схемы ЭОС должны быть воплощены в реальных конструкци­ ях; сначала в макетах и экспериментальных образцах, а после за­ вершения конструирования и подготовки производства — в опыт­ ных партиях ЭЛП. В распоряжении конструктора всегда имеется некоторое количество наименований типовых деталей и сбороч­ ных единиц предшествующих разработок и изделий серийного производства, которые могут быть использованы при макетирова­ нии прибора или отдельных ФЭ. Однако для электровакуумных приборов велико влияние технологических процессов на парамет­ ры изделия, поэтому уже на первых этапах работы к выбору ма­ териалов и деталей следует относиться внимательно и предусмат­ ривать конкретные технологические решения.

Необходимо подчеркнуть, что без знания того, как может быть изготовлена и обработана каждая деталь, каковы последователь­ ность и характер операций изготовления и сборки, т. е. без знания важнейших элементов технологического процесса, проектировать

прибор нельзя. При этом следует иметь в виду не только техноло­ гию изготовления макетов и образцов как технологию опытного производства (что немаловажно), но прежде всего — технологиче­ ские возможности и оснащенность того производства, где предпо­ лагается серийный выпуск прибора. Одновременно с проектирова­ нием конструкции ЭЛП должны выбираться известные или созда­ ваться новые технологические процессы, которые обеспечат получение требуемых параметров каждого элемента.

Важнейшим требованием к конструкции любой детали, сбороч­ ной единицы, узла и прибора в целом вместе с требованиями обес­ печения заданных параметров является технологичность изделия. Это понятие в соответствии с ГОСТ 14.205—83 означает совокуп­ ность свойств конструкции изделия, определяющих ее приспособ­ ленность к достижению оптимальных затрат при производстве для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Для обеспечения технологичности при описа­ нии конструкции ЭЛП и проектирования их элементов необходи­ мо рассматривать и некоторые вопросы технологии.

Первичным элементом конструкции ЭОС является деталь, ко­ торая образует электрод или входит в его состав, если электрод представлен сборочной единицей. Детали, составляющие электро­ ды, изготавливаются из немагнитных материалов, таких как не­ ржавеющая сталь и константан. В специальных случаях использу­ ются магнитомягкие стали (блок сведения цветного кинескопа и т. п.). Основным способом изготовления деталей является листо­ вая штамповка.

Наибольшая точность достигается при штамповке плоских деталей, чем объ­ ясняется популярность диафрагм у проектировщиков ЭЛП. Однако при этом, как и при изготовлении деталей с вытяжкой, весьма существенным моментом является ориентация контура детали на исходном материале (раскрой). При не­ симметричном расположении элементов контура относительно направления про­ ката на точности размеров сказываются релаксационные явления в материале, проявляющиеся после вырубки контура и при термической обработке. В резуль­ тате размеры детали вдоль и поперек направления проката (при равных разме­ рах в инструменте) неодинаковы и могут выходить за пределы поля допу­ ска [76].

Рассматривая ЭОС как сложную конструкцию, можно заме­ тить, что одной из отличительных черт ЭЛП, как и большинства изделий электронной техники, является отсутствие в них подвиж­ ных элементов. В электровакуумных приборах управление движе­ нием заряженных частиц осуществляется электрическим и маг­ нитным полями. Поэтому важнейшим требованием к конструкции приборов является обеспечение постоянства размеров и взаимно­ го расположения электродов в условиях производства и эксплуа­ тации. Задачу создания электростатических полей в конструкции ЭЛП выполняет арматура, представляющая собой набор изолиро­

чить обтекание его контура расплавленной массой, исключающее съем лодочки после остывания.

Если рабочие отверстия в электродах пушки обрабатываются после сборки арматуры, а параллельность и точность межэлект­ родных промежутков являются определяющими (причем воздей­ ствие высокой температуры нежелательно, как это имеет место в ряде передающих ЭЛП), может быть применена так называемая «галетная сборка» [77]. При такой сборке во фланцах электро­ дов выполняются базовые отверстия по диаметру керамического стержня или трубки, на изоляторы последовательно устанавлива­ ются электроды, между которыми надеваются калиброванные по высоте дистанционные керамические втулки. Весь пакет электро­ дов обжимается и фиксируется закрепками по концам изоляторов (рис. 4.2).

В осциллографических и ряде других типов приборов армату­ ра собирается на круглых стеклянных штабиках диаметром 5...

7,5 мм (в основном из стекла марки С40-1), а в кинескопах и индикаторных ЭЛП обычно используются штабики прямоугольно­ го сечения из спеченного стеклопорошка на основе стекла марок С25-1 и С25-2, обеспечивающие более высокую электрическую прочность. Толщина таких штабиков для арматур миниатюрных приборов составляет 2,5...3 мм, а для больших арматур 4 ...4,5мм.

Сборка арматуры на стеклянных штабиках имеет ряд особенностей. В отли­ чие от различного рода металлических впаев в стекло — выводов ножек и бал лонов, фиксаторов и т. п., образующих вакуумно-плотное соединение, сопряжение держателей электродов со стеклом несущего изолятора представляет собой не-

смачиваемое механическое соединение [7, 78]. Смачиваемость в спаях металла со стеклом достигается созданием на поверхности металла окисной пленки, ко­ торой не должно и не может быть на электродах и других деталях арматуры ЗОС, в обязательном порядке проходящих восстановительный отжиг и обезгаживанне при высокой температуре в вакууме или в атмосфере водорода.

Держатели электродов, закрепленных в сборочной оправке, вводятся в размягченное пламенем газокислородной горелки стек­ ло штабика. После остывания между стеклом и держателем обра­ зуется незначительный зазор, возникающий в результате разницы в коэффициентах теплового расширения стекла и материала дер­ жателя. Преимуществом такого соединения является то, что при прогреве арматуры токами высокой частоты во время термоваку­ умной обработки прибора имеющиеся зазоры компенсируют расши­ рение нагреваемых держателей, что исключает растрескивание штабиков. Недостаток чисто механического соединения держате­ лей со стеклом в том, что требуется применение специальных мер для фиксации соединения, так как отдельный круглый или прямо­ угольный стержень, так называемый «гвоздик», введенный в раз­ мягченное стекло, без труда выходит из него после остывания.

Фиксация соединения достигается при обтекании контура дер­

числом держателей, выбор которых, в свою очередь, зависит от способа сборки арматуры ЭОС и типа несущих изоляторов. Фор­ ма держателей (рис. 4.3) в большинстве случаев не зависит от того, изготавливаются они отдельно от электродов и затем прива­ риваются или вырубаются на их внешнем контуре. Так, объемные электроды, оба торца которых участвуют в формировании поля, фиксируются в арматуре на приваренных держателях.

Простейшие держатели, изготавливаемые из круглой проволо­ ки диаметром 0,8... 1,0 мм, имеют форму скоб или стержней («гвоздиков»), которые привариваются к электродам на их ци­ линдрической поверхности (рис. 4.3,а). Концы таких держателей расплющиваются в виде лопаток, и фиксация их в штабиках до­ стигается обтеканием стеклом внешнего контура лопатки. Узкие держатели прямоугольного сечения (рис. 4.3,6, в, д) выполняются отдельно или вырубаются заодно с электродом при толщине ма­ териала детали 0,5 ...0,8 мм. Оформление концов держателей в виде лопаток допускает применение их как при продольном, так

и при поперечном положении плоскости лопатки относительно оси штабика, хотя продольное положение предпочтительно. Из-за сложности вырубки узких держателей с лопаткой на их концах иногда делаются просечки (см. рис. 4.3,6, в), что требует выпол­ нения специальных технологических операций. Более рациональ­ но оформление концов держателей с волнистой насечкой (рис. 4.3,6), которая обеспечивает достаточно надежное сцепление со стеклом штабика при небольшом кратере.

Для чашечных электродов небольшой высоты и плоских диаф­ рагм, изготавливаемых из относительно тонкого материала (0,2...

...0,3 мм), собираемых на трех или четырех изоляторах и монти­ руемых в арматуру с большими межэлектродными расстояниями (более 3 мм), можно рекомендовать держатели, показанные на рис. 4.3,г. Держатели вырубаются по контуру детали и затем скру­ чиваются на 90°, образуя трехгранные флажки, расположенные вдоль оси штабика. Эти держатели обеспечивают жесткое закреп­ ление электрода в штабиках при минимальном ослаблении их прочности.

Широкие держатели (см. рис. 4.3,2, ж) применяются только при продольном положении относительно штабика, а держатели по рис. 4.3,ии л —и при поперечном положении. Эти типы держа­ телей отличаются тем, что их форма обеспечивает как бы прину­ дительное обтекание стеклом фиксирующего контура. Средний вы­ ступ «расталкивает» стекло в боковые выемки или боковые высту­ пы «обжимают» стеклом головку держателя. Оптимальный угол наклона боковой кромки к направлению входа в штабик состав­ ляет 18... 20° На рис. 4.3,к показан вариант держателя такого ти­ па с прямоугольным контуром, применяемый некоторыми конст­ рукторами. Очевидно, что он является нетехиологичиым вариан* том контура, приведенного на рис. 4.3,ии как из-за наличия угловых сопряжений, так и с точки зрения затрудненности зате­ кания стекла в эти углы. Как видно из рис. 4.3,2, ж, и, держатели могут изготавливаться из ленты безотходно, образуя на противо­ положных концах встречные контуры, которые по надежности фиксации в стекле эквивалентны. Такие держатели формуются в виде скоб, охватывающих цилиндрический электрод, и приварива­ ются к нему. Выбор контура держателя зависит от ограничения по ширине. При жестком ограничении ширины целесообразно применять контуры по рис. 4.3,2, ж.

Держатели с контуром по рис. 4.3,л широко применяются в электродах с фланцами и диафрагмах при монтаже арматуры на двух несущих изоляторах прямоугольного сечения с сопряжением поперек оси штабика. При этом размер держателя строго согла­ суется с размером штабика — он должен быть уже штабика, це­ ликом внедряясь в него, а контур держателя должен выступать за пределы фланца электрода. Такой тип держателя использует-