книги / Проектирование электронно-лучевых приборов

^Рис. 1.3. Принципиальная схема расположения поверхностей, формирующих по­ ля электронной пушки:

гк» гоб — плоскости катода и объекта; г , —условная граница между пушкой и линзой

Оуо ^кор

В)

Рис. 1.4. Принципиальные схемы расположения и формы электродов осесиммет­ ричной ЭОС с магнитным отклонением (а) и астигматичной линзы усиления от­

клонения с корректорами (б)

Для отражения результатов проектирования функциональных элементов и их совокупности в ЭОС на основе ранее выбранной

указываемые на принципиальных схемах функциональных эле­ ментов, отсчитываются от некоторой характерной точки: для электронного прожектора это — плоскость катода, для отклоняю­ щих систем — плоскость входа пучка и т. п. Взаимное располо­ жение функциональных элементов задано структурной схемой, что позволяет при необходимости определить расстояние между любыми электродами ЭОС. Переход от принципиальных схем к чертежам электродов и конструктивных элементов осущест­ вляется на этапе технического проектирования и описан в гл. 4.

1.2. ПРОСТЕЙШИЕ УЗЛЫ ЭЛП

Переходя к описанию функциональных элементов ЭЛП, це­

подогревательный узел, экранный узел).

Баллоны ЭЛП. Несмотря на явный приоритет, отдаваемый ЭОС

теристики имеют решающее значение для успешного заверше­ ния разработки. Баллон представляет собой газонепроницаемую оболочку, изготавливаемую обычно из стекла или сходных по свойствам 1материалов, основное назначение которой состоит в сохранении высокого вакуума, созданного во внутреннем объеме прибора при его изготовлении. Одновременно баллон служит основной несущей конструкцией ЭЛП: к нему крепятся все остальные внутренние и внешние элементы (ЭОС, рамо-масочный узел, узел памяти, магнитная отклоняющая система и т. д.), на его внутреннюю поверхность наносятся токопроводящие и люминесцентные покрытия, в него впаиваются металлические выводы для подключения электродов прибора к внешней элек­ трической цепи.

История развития электронно-лучевых приборов с их первым, сохранившимся до настоящего времени, названием «трубка» показывает, что в ранних конструкциях приборов баллон по конфигурации был близок к трубке с небольшим уширением к фронтальной части, так как экраны были круглыми, а углы отклонения — небольшими. Единственным технологическим прие­ мом изготовления баллонов было выдувание, свободное (по шаблону) или в форму. Фронтальная часть баллона имела сфе­ рическую форму. Такие баллоны до настоящего времени сохра­ нились в нескольких типах ЭЛП ранних разработок, применяе­ мых в школьной, учебной и радиолюбительской аппаратуре.

По мере развития электронной техники и обретения при­ борами «специализации» по назначению конфигурация балло­ нов трансформировалась. Предназначенные для телевизионной техники ЭЛП развивались в направлении увеличения размеров экрана и углов отклонения, причем отклонения только магнит­ ного. Поэтому баллоны кинескопов с круглыми, а затем и с прямоугольными фронтальными стеклами сначала были метал­ лостеклянными и состояли из трех частей: стеклянной горловины, металлического конуса и фронтального сферизованного стекла. Создание технологии прессования больших изделий из стекла, а затем центробежного формования привело к появлению со­

Баллоны осциллографических ЭЛП современных типов имеют плоское прямоугольное фронтальное стекло, конус и цилиндри­ ческую горловину. До недавнего времени конуса и горловины большого диаметра (более 36 мм) получали выдуванием. Слож­ ность конфигурации конуса, имеющего переход от осесиммет­ ричной части, сопрягаемой с горловиной, к прямоугольной части, обращенной к фронтальному стеклу, создает большие техноло­ гические сложности при выдувании и только введение техно­ логии прессования позволило получить баллоны осциллографи­ ческих ЭЛП наиболее рациональной конфигурации.

Баллоны запоминающих ЭЛП и ряда других типов разно­ образны по форме и могут быть как осесимметричными с круг­ лыми фронтальными стеклами, так и с прямоугольными, в за­ висимости от требований к прибору и его назначения.

Совершенствование приборов различных подгрупп, усложне­ ние систем электронной оптики, появление многолучевых прибо­ ров, например цветных кинескопов, привело к усложнению кон­ струкции деталей баллона, в частности к значительному уве­ личению числа выводов, впаиваемых в детали баллона — ножку, горловину, конус и фронтальное стекло. Рассмотрим характе­ ристики деталей баллона как с точки зрения элементов газо­ непроницаемой оболочки прибора, так и по их вторичным функ­ циям несущих элементов.

Фронтальное стекло, также часто называемое экраному пред­ назначено для воспроизведения на его поверхности оптического

поверхности, в пределах которой оцениваются светотехнические параметры ЭЛП, называется рабочей частью экрана. Для кине­ скопов и большинства индикаторных приборов рабочей частью является вся видимая поверхность фронтального стекла, а для осциллографических приборов и ЭЛП других подгрупп рабочая часть ограничивается вписанным в видимый контур прямоуголь­ ником с заданными размерами сторон. При необходимости на внутреннюю поверхность стекла наносятся шкалы и другие от­ метки.

По профилю различают плоские и сферические фронтальные стекла. Для некоторых ЭЛП, например для индексных кине­ скопов, применяются экраны с цилиндрической поверхностью. Для просвечивающих и фоторегистрирующих приборов, неко­ торых типов запоминающих ЭЛП и передающих ЭЛП исполь­ зуются плоскопараллельные полированные диски из электрова­ куумного и оптического стекла, а также стекловолоконные пла­ стины.

Для большинства типов осциллографических приборов, кине­ скопов и индикаторных ЭЛП фронтальные стекла изготавли­ вают прессованием. При этом вместе с фронтальным стеклом формуются борта, придающие экрану чашеобразную форму. Це­ лесообразность такой конфигурации определяется тем, что при спае фронтального стекла с конусом по торцу бортов последние защищают стекло от перегрева. В цветных кинескопах и за­ поминающих ЭЛП борта фронтального стекла служат для креп­ ления рамо-масочного узла, узла памяти или других элементов,, участвующих в формировании изображения. Размеры фронталь­ ных стекол по диагонали для каждой подгруппы стандартизо­ ваны ГОСТ 23387—78.

Внешние поверхности прессованных деталей после термооб­ работки (отжига) подвергаются шлифовке и полировке. Внут­ ренняя поверхность соответствует структуре поверхности пуан­ сона. В пределах рабочей части она должна иметь мелкую ма­ тировку, обеспечивающую хорошее сцепление люминофора состеклом и не препятствующую нанесению на нее шкал, сеток и других отметок, соответствующих назначению прибора. Наи­ более широко внутренние шкалы, обеспечивающие беспараллаксный отсчет, применяются в осциллографических ЭЛП.

Конус баллона. Формирующая основной объем баллона пере­ ходная деталь, соединяющая фронтальное стекло с горловиной* является наиболее сложной по конфигурации частью баллона с прямоугольным экраном. Профиль внутренней поверхности ко­

пых отклоняющих систем имеет профиль, соответствующий внут­ реннему профилю стандартизованной отклоняющей системы. При этом толщина стенок конуса должна быть минимальной. В не­ которых типах кинескопов с целью максимально возможного снижения потребляемой мощности на внутренней поверхности конуса в зоне перехода от цилиндрической части к конической предусматривают уменьшение толщины стенок в диагональных сечениях, что исключает касание пучка к внутренней поверх­ ности конуса при максимальных углах отклонения — «срезание растра». Со стороны фронтального стекла сечение конуса долж­ но соответствовать контуру бортов стекла. Переход от торца конуса к зоне размещения отклоняющей системы в основном определяется требованиями механической прочности баллона в целом и технологией изготовления конуса.

Для приборов с электростатическим отклонением требования к конфигурации конуса, кроме необходимости исключить пере­ сечение его стенками траекторий движения электронного пучка, определяются также тем, что зачастую внутренняя поверхность конуса используется для образования элементов электронно-опти­ ческой системы путем нанесения на нее токопроводящих покры­ тий различной конфигурации.

Создание надежной технологии склейки деталей баллона с помощью стеклокристаллических цементов, толчок которой дало появление цветных кинескопов, обеспечило вакуумно-плотное со­ единение деталей из разнородных материалов. Это позволило исключить огневую спайку (в ряде случаев недопустимую, на­ пример в приборах с цветоделительной маской, с монокристаллическими и стекловолоконными экранами).

В последнее время для изготовления конусов осциллографа ческих и запоминающих ЭЛП находит применение керамика, что дает возможность получать изделия, обладающие значительно

.большей механической прочностью, хорошо склеиваемые со стек­ лянными горловинами и фронтальными стеклами, в том числе стекловолоконными.

Горловина — цилиндрическая часть баллона, в которой раз­ мещается электростатическая часть ЭОС и на которой монти­ руются электромагнитные элементы управления электронным пучком. Значения диаметра горловины современных ЭЛП (от 13 до 70 мм) охватывают практически весь ряд размеров, что неце­ лесообразно с точки зрения унификации и централизации про­ изводства.

Действующими стандартами на трубки из электровакуумного стекла задается наружный диаметр трубки и толщина ее стенки. При этом внутренний диаметр как функция этих двух размеров с их предельными отклонениями имеет значительный разброс. Так, цилиндр с наружным диаметром 50 мм и толщиной стенки 2,5 мм при допуске 1 мм на оба размера может иметь внутрен-

снижение разброса внутреннего диаметра путем селективной разбраковки прак­ тически неосуществимо. Надежным способом стабилизации внутренних размеров

ции баллона, несущий арматуру ЭОС, через который осущест­ вляется откачка прибора. В тарелку ножки впаиваются выводы для подключения электродов ЭОС к внешним электрическим цепям. Ранее в ЭЛП широко применялись цоколи, и ножки имели тонкие мягкие выводы, которые припаивались к штырькам цоколя. Однако в связи с тем, что цоколи удлиняют приборы, а мяг­ кие выводы не обеспечивают необходимую жесткость фиксации арматуры ЭОС в горловине, в современных приборах приме­ няются плоские ножки с жесткими выводами диаметром 1 или 1,5 мм. В центре ножки имеется штенгель для соединения с откачной системой и последующей отпайки (см. рис. 1.5). Ножка является стандартизованным элементом конструкции ЭЛП по числу, расположению и размерам выводов, а в некоторых слу­ чаях нормируются и размеры отпая (часть штенгеля, остаю­ щаяся после отпайки прибора от откачной системы). Для одно­ значного соединения прибора с внешними цепями в бесцокольных конструкциях применяются так называемые цокольные кол­ пачки, защищающие отпай от разрушения и имеющие на ци­ линдрическом колпачке ключ. В тех конструкциях ножек, где цокольный колпачек не применяется, предусмотрено несиммет­ ричное расположение штырьков, заменяющее ключ.

Необходимо особо подчеркнуть, что в местах металлических впаев, а кроме ножки, где их количество наибольшее, штыревые выводы впаиваются в горловину (осциллографические приборы) и в конус, концентрируются напряжения в стекле, что является возможной причиной нарушения герметичности баллона и по­ тери вакуума. Штырьки ножки и боковых выводов баллона яв­ ляются соединительными элементами, поэтому на них создается определенная нагрузка от арматуры внутри прибора и контакт­ ных элементов аппаратуры с внешней стороны. Поэтому в кон­ струкции ЭЛП предусматриваются меры защиты выводов, осо­ бенно их оснований, от ударов и изгибов.

Анализ конфигурации баллонов ЭЛП разного назначения и их деталей дает возможность построить универсальное описание геометрии баллонов для подавляющего большинства вариантов конструкций (включая осесимметричные баллоны как частный случай). Такое описание является основой для построения САПР баллонов, обеспечивающей проектирование геометрии деталей баллона и прочностные исследования баллона при различных условиях внешних воздействий

Катодно-подогревательный узел (катод). В современных ЭЛП в качестве источника электронов применяется почти исключи-

из кристаллов твердых растворов окислов щелочно-земельных металлов (ВаО, СаО, 5гО). Оксидный слой формируется из. карбонатов щелочно-земельных металлов на металлическом осно­ вании— керне катода — в процессе активировки его при тем­ пературе до 1100°С.

Основным конструктивным типом катода в ЭЛП является торцевой катод косвенного накала, керн которого представляет собой полую гильзу с плоским дном. На внешнюю поверхность, дна гильзы нанесен оксидный слой, а внутри гильзы размещен подогреватель. Применяются также катоды, ось которых рас­ положена перпендикулярно оси электронной пушки, — так на­ зываемые горизонтальные катоды. Стремление повысить эконо­ мичность катодов по мощности накала привело к созданию ряда1 конструкций маломощных прямонакальных катодов.

Подробные сведения о физике работы, специфике конструи­ рования и технологии изготовления оксидных катодов можно найти в [8]. Основными параметрами, определяющими качество*

мощность накала, увеличение долговечности ограничивает плот­

и т. п.

При выборе катода для проектируемого прибора наиболее* важными параметрами являются рабочая температура и дости­ жимая при заданной долговечности плотность тока. Температура катода влияет на энергетическое распределение термоэлектро­ нов. . Экспериментальные исследования одного из катодов мас­

ной пушки, т. е. с учетом воздействия пространственного за­ ряда, формирующего потенциальный минимум вблизи поверхно­ сти катода (см. § 3.3).

Для современных ЭЛП катоды изготавливаются в виде сбо­ рочных единиц — катодных узлов (КУ), комплектуемых с от­

дельно поставляемыми подогревателями, и катодно-подогрева­ тельных узлов (КПУ), в которых подогреватель смонтирован: на специальных держателях. В большинстве конструкций узлы монтируются на несущем керамическом изоляторе и отлича­ ются в основном разными способами закрепления катода и по­ догревателя, конфигурацией изолятора, наличием или отсутствием; элементов установки расстояния катод — модулятор, габаритны­ ми размерами и мощностью накала. Мощность накала и тем­ пература катода в значительной мере зависят от материала де­ талей узла, толщины керна, от стабильности формы и положения подогревателя в гильзе, уровня теплоотвода и поверхности излу­ чения керна.

В настоящее время имеется унифицированный ряд типов КУ~ и КПУ для ЭЛП различного назначения. Таким образом, в но­ вых разработках приборов в соответствии с требованиями тех­ нического задания и указанными в нем ограничениями уже на первых этапах проектирования может быть выбран соответст­ вующий тип КУ или КПУ, с учетом характеристик которого В'- дальнейшем решается конструкция и технология сборки арма­ туры ЭОС. Обычно задача выбора катода для каждой разра­ ботки ЭЛП решается однозначно, а изменения в процессе про­ ектирования весьма редки.

Некоторые типовые конструкции КПУ, широко применяемые* в современных ЭЛП, показаны на рис. 1.6, а характеристики унифицированных КПУ приведены в табл. 1.4.

На рнс. 1.6,а показан широко применяемый КПУ-1 [10, Г1]. Колпачок като­ да 1 калиброван по высоте, а -по контуру юбки колпачка выполнены крепящиеусики 5. Несущий изолятор выполнен из двух частей 3 и 4, сочлененных так, что между ними образуется щелевой лабиринт, исключающий утечки по напы­ ленному с колпачка катода -металлу. Часть изолятора 4 имеет два отверстия,, армированных пистонами 6, в которые вводятся концы подогревателя 2. В части изолятора 3 имеется три щелевых отверстия .по диаметру юбки колпачка като­ да /, в которые вводятся усики колпачка 5, натягиваются и скручиваются на 9(У*

Рис. 1.6. Типовые конструкции катодно-подогревательных узлов КПУ-1 (а); КПУ-50 (б); группа типа КПУ-18 (в); КПУ-57 (г)

для жесткого закрепления колпачка на изоляторе. Один из усиков используется для соединения с выводом ножки, остальные обрезаются, -как показано на ри­ сунке. В этой конструкции подогреватель находится в замкнутом объеме, что позволяет снизить разброс температуры катода.

Конструкция КПУ-50 «показана на рис. 1.6,6. Этот узел при меньшем време­ ни готовности имеет характеристики, аналогичные узлу КПУ-1.

табл. 1.4). Гильза катода 1 через держатель 4 закреплена в керамическом изо­ ляторе 3. Изолятор с обеих сторон имеет кольцевые канавки для исключения