Распределение газовых потоков в межэлектродном пространстве приборов при гнездовой откачке Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОТЕХНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 621.373.002

А.А. Лемякин, В.И. Воронин РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ В МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ ПРИБОРОВ ПРИ ГНЕЗДОВОЙ ОТКАЧКЕ

Приведены теоретические и экспериментальные результаты исследования изменения давления в межэлектродном пространстве прибора при гнездовой откачке в зависимости от величины разнесения корпуса прибора и заглушки. Установлено оптимальное значение величины разнесения, обеспечивающее наиболее низкое давление газов в межэлектродном пространстве.

Гнездовая откачка, анод, катод, эмиссия, межэлектродное пространство, эвакуационный зазор, газовый поток.

A.A. Lemyakin, V.I. Voronin GAS FLOWS DISTRIBUTION IN THE INTERELECTRODE SPACE OF THE DEVICE AT JACK EVACUATION

Theoretical and experimental research results of pressure change in the interelectrode space of the device at jack evacuation depending on the diversity quantity of the device housing and a plug are presented. The optimal value of diversity providing the lowest gas pressure in the interelectrode space is defined.

Jack evacuation, anode, cathode, emission, interelectrode space, evacuation gap, gas flow.

Как отмечается в работах [1-3], основной причиной падения эмиссионной активности катода является ухудшение вакуума в приборе при электронной бомбардировке загрязненной или плохо обезгаженной арматуры.

Бесштенгельная откачка металлокерамических электровакуумных приборов (ЭВП) (титано-керамические лампы, триоды, митроны и др.) сопровождается совмещением режимов обработки различных деталей прибора (анодная система, катод, управляющий электрод и т. д.). При этом из всех элементов прибора выделяется значительное количество газов, что при недостаточной скорости откачки приводит к значительному повышению давления в приборе и ухудшению его параметров.

Наиболее опасным для катода, нагретого до рабочей температуры, является повышение давления в межэлектродном пространстве. Межэлектродное пространство

любого ЭВП может быть представлено символически как объем, из которого происходит эвакуация газов, выделяющихся из катода во время его обработки.

Эквивалентная схема камерной откачки ЭВП с учетом объема межэлектродного пространства представлена на рис. 1, позволяет провести анализ распределения газовых потоков в межэлектродном пространстве.

Рис. 1. Эквивалентная схема камерной откачки электровакуумных приборов с учетом межэлектродного пространства: РН - рабочее давление насоса; РК - рабочее давление в камере;

РПР - рабочее давление в приборе; Ра-к - давление в межэлектродном пространстве; и - пропускная способность откачной системы; РЗ - проводимость эвакуационного зазора;

Ра.к - проводимость зазора анод-катод

При анализе распределения потоков газов, выделяющихся из катода, следует учитывать наличие окружающей арматуры. Наличие арматуры вызывает многократное отражение молекул газа, а, следовательно, распределение молекул происходит по закону Максвелла - Больцмана.

В межэлектродном пространстве имеют место направленные потоки газов, что приводит к возникновению неравновесных условий.

В случае высокого вакуума молекулы, покинувшие объект (катод), обязательно попадают на элементы поверхностей, окружающих объект. Если эти поверхности отражают молекулы газа, то появляется вероятность возврата газа на объект (источник газовыделения).

Для качественного анализа распределения потоков газов в межэлектродном пространстве примем следующие допущения:

1) коэффициент захвата молекул объектом равен в, где в - вероятность взаимодействия поверхности катода с попадающими на него частицами газа. Для упрощения расчетов примем в = 1;

2) коэффициент захвата молекул анодом равен 0, что возможно в случае повышенной температуры анода [4];

3) газовыделение из анода отсутствует или несоизмеримо мало по сравнению с газовыделением из катода;

4) газовыделение из катода равномерно по его поверхности и постоянно во времени (или хотя бы в исследуемый промежуток времени);

5) коэффициент «захвата» молекул зазором Fa-к (коэффициент откачки) равен а;

6) анод отражает молекулы зеркально, то есть его поверхность нагрета до температуры выше 200°С [5].

На рис. 2 представлено распределение потока газов в межэлектродном пространстве при различном разнесении корпуса и заглушки h. С учетом указанных допущений можно записать условие баланса молекул на воображаемой поверхности зазора:

где А - вероятность попадания молекул газа с катода на анод (доля молекулярного потока на анод); В - вероятность попадания молекул, «отраженных» зазором, на анод; С -

межзлектродное

п3 =[(1 - A) + п2(1 - C) + п3(1 - K )(1 - £)](! -а), 1/с,

вероятность возврата молекул с анода на катод (доля отраженных анодом молекул); К -вероятность попадания «отраженных» зазором ЕЗ молекул на катод (доля возвращающихся в межэлектродное пространство молекул); п1 - число молекул, излучаемых в единицу времени поверхностью катода; п2 - число молекул, покидающих в единицу времени анод; п3 - число молекул, возвращающихся в единицу времени из зазора в межэлектродное пространство.

Понятие «отраженный зазором поток» является чисто условным и означает обратный поток молекул газов из полости прибора в межэлектродное пространство.

Из уравнения (1) следует, что:

п1(1 - А) + п2(1 - Й)

п3 =

■ (1 -а), 1/с.

1 - (1 - Е )(1 - А)(1 -а)

Величину потока п2 можно определить, исходя из п. 2 допущений:

п1 (1 - А)(1 - а)В + п2 (1 - Й)(1 - а)В

п2 _ п1 А + :

или после преобразования

1 - (1 - Е )(1 - А)(1 -а)

п2 = п, А1 - а (1 - А ), 1/с,

1/с,

где

а _ •

1 - а (1 - С) (1 -а) В

(3)

(4)

1 - (1 - Е )(1 - А)(1 -а)

Число молекул, возвращающихся в единицу времени на катод после первого столкновения со всеми поверхностями, равно:

(5)

_ пзК + п2 С _ п1 АС

аК .(1 - а)+аК (1 - с )+1+а (1 - А)

АСВ

СВ

1 - а (1 - С) _

(6)

Из уравнения (6) видно, что поток газа на катод зависит от геометрии электродов и скорости откачки газов из межэлектродного пространства.

В случае интенсивной откачки газов из межэлектродного пространства (а = 1), поток п3 в межэлектродное пространство отсутствует и поток Мобр будет зависеть от геометрических параметров прибора, т.е.

_ п1 АС при а = 1 .

Коэффициент откачки а показывает соотношение между выделившимся и отведенным потоками газов.

Предположим, что весь поток газов, выделяемых катодом, падает на зазор. Тогда баланс между отводящимся через зазор Еа-к потоком Qотв, потоком, падающим на зазор Qвыд, и обратным потоком в межэлектродное пространство Qвaзв, может быть записан в виде:

£

(7)

* <§у п—1-1)1-11 'П— Д\ А', Д ^ 1 - \ (_1\

Д/Ч у

1 1

Рис. 2. Расчетная схема распределения газовых потоков в прикатодном объеме

или

&ба + Q аіда Qайc

їоа + &їда 1

Qайd Qайd

(8)

при условии отсутствия других источников газовыделения, где величина аиаеыд и представляет собой коэффициент откачки. Величину а можно представить в виде:

а =

баиа баиа

где 8а-к - скорость откачки газов из межэлектродного пространства, л/с; Ра-к - давление газов в межэлектродном пространстве, Па.

При откачке ЭВП давление в межэлектродном пространстве определяется не только относительными скоростями газовыделения и эвакуации газов, но и величиной газовых потоков, перераспределяющихся между электродами (п1 и п2).

Из схемы распределения газовых потоков в межэлектродном пространстве (рис. 2) видно, что общий поток газов, выделяющихся из катода, делится на две составляющие: П1 (1-А) и П1 А. На рис. 3 показано соотношение между величинами этих потоков в процессе откачки. При откачке с малой величиной И имеется определенное соотношение между величиной потоков, которое изменяется по мере увеличения расстояния между корпусом и заглушкой: величина потока газов, падающих на «откачивающий зазор» п1 (1-А), увеличивается, величина потоков газов, падающих на анод п1 А, уменьшается. Это происходит до тех пор, пока проводимость откачивающего зазора не обеспечит полный отвод газов, падающих на зазор. При этом величина потока п1 А уменьшается, что должно приводить к уменьшению величины обратного потока газов на катод и уменьшению степени его отравления.

Из рис. 3 видно, что величина обратного потока зависит от величины потока газов из полости прибора в межэлектродное пространство (п3 К) и величины газового потока, отражающегося от анода (п2 С). С увеличением величины И и, соответственно, проводимости «откачивающего» зазора величина потока п3 К стремится к нулю, а величина потока п2 С значительно уменьшается. Разнесение заглушки на расстояние, обеспечивающее эффективную откачку газов из межэлектродного пространства, приводит к уменьшению обратного потока примерно в 15 раз.

(10)

о 13 го зо

Рис. 3. Распределение газовых потоков в межэлектродном пространстве прибора

Таким образом, с учетом приведенных рассуждений, для наиболее полного удаления газов из межэлектродного пространства при гнездовой откачке должно соблюдаться условие:

, (11)

где £К - скорость откачки камеры, л/с; БПР - скорость откачки газов, выделяющихся из арматуры и катода прибора и откачиваемых через зазор между ¥З, л/с; 8а.к - скорость эвакуации газов из межэлектродного пространства, л/с.

Определив путем построения кривых изменения обратного потока газов на катод (рис. 3) расстояние, при котором обратный поток устраняется наиболее полно (например, составляет 0,9 от величины обратного потока на катод при откачке без разнесения частей), можно определить соответственно проводимость «откачивающего» зазора ¥а.к при эвакуации газов через него.

Р ё = 76 к'■

^а-ё +~ (а + dk )

0_

і

(12)

ё =

S» • ^

^їд + Ра-ё

(13)

где Ьа_к - расстояние между электродами, см; ёа - диаметр анода, см; ёк - диаметр катода, см; Бпр - скорость откачки прибора через зазор РЗ, л/с; к - коэффициент Клаузинга.

Таким образом, одним из требований к величине оптимального расстояния между корпусом и заглушкой И прибора является обеспечение полного отвода газов из межэлектродного пространства.

Теоретические исследования возможности уменьшения отравления катода выделяющимися из него газами подтверждаются экспериментальными данными.

Представленные на рис. 4 кривые изменения плотности тока во время длительной выдержки катодов, обработанных при различном ¥З, свидетельствуют о том, что увеличение РЗ способствует улучшению характеристик катода за счет обеспечения более низкого давления в межэлектродном пространстве при обработке катода на откачном посту. После окончания термического активирования катода наблюдается более быстрое нарастание анодного тока в случае обработки приборов при расстоянии прибор-заглушка к > 10 мм, чем при обработке с расстоянием к < 10 мм. Значение плотности тока после шестичасовой выдержки составляет примерно 325 мА/см2, т.е. на 30% выше (245 мА/см2).

Рис. 4. Изменение плотности анодного тока во время обработки диода на откачном посту при разном расстоянии Л: 1 - Л = 15 мм; 2 - 1...5 мм; 3 - температура анода

Различия в электрических параметрах прибора объясняются, по-видимому, тем, что наличие отраженных потоков газа в межэлектродном пространстве во время откачки приборов с недостаточным разнесением к приводит к повышению давления в межэлектродном пространстве. Это, с одной стороны, способствует частичному отравлению катода и затрудняет его активирование, с другой стороны, приводит к загрязнению окружающих электродов активными составляющими газовой среды.

Проведенными исследованиями подтверждается наличие избыточного, по сравнению с давлением в оболочке прибора, давлением в межэлектродном пространстве прибора при расстоянии к, меньшем 10 мм. Выбранный в качестве индикатора изменения давления карбидированный вольфрамоториевый катод обладает хорошей реакцией на отравление выделяющимися газами. Приведенная на рис. 5 зависимость тока

фокусирующего электрода от величины давления показывает, что при изменении давления во внутренней полости экспериментального диода от 5-10-4 до 1-10-1 Па эмиссионная активность катода уменьшается с 62 до 38 мА, т.е. на 40%. Н.В. Черепнин [6], ссылаясь на работу [7], объясняет это тем, что на поверхности таких катодов образуются «пятна» с различной работой выхода электронов, между которыми возникает электрическое поле, способствующее вырыванию электронов из металла. Электроны из области с большим потенциалом начнут перемещаться в область с низким потенциалом. Это перемещение происходит до тех пор, пока электронные уровни в обеих областях не уравняются. Однако при этом области заряжаются разноименно, одни - положительно, другие - отрицательно. Вылетевшие из катода электроны могут частично вновь притягиваться к нему, попадая в зону действия положительного потенциала.

Кроме этого явления, возможно и прямое воздействие составляющих газовой среды на активный слой катода [6].

< 70

г

ГЗ

>3

О I-ГЗ Э£

£ 60 § ас о

I—

50

40

30 -

1,ЭЕ-04 1,0Е-03 1,0Е-02 1,0Е-О1

Давление, Па

Рис. 5. Зависимость эмиссионной активности карбидированного вольфрамоториевого катода от величины давления в прикатодной зоне: Тк = 1400°С)

ЛИТЕРАТУРА

1. Мойжес Б.Я. Физические процессы в оксидном катоде / Б.Я. Мойжес. М.: Наука, 1968. 480 с.

2. Воронин В. И. Исследование процесса камерной откачки митронов с разнесением частей: автореф. дис. ... канд. техн. наук / В.И. Воронин. М., 1975. 24 с.

3. Черепнин Н. В. Основы очистки обезгаживания и откачки в вакуумной технике / Н.В. Черепнин. М.: Советское радио, 1967. 408 с.

4. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники / С. Дэшман. М.: Мир, 1964.

716 с.

5. Датц Ш. Отражение модулированных пучков гелия и дейтерия от платиновой поверхности. Взаимодействие газов с поверхностями / Ш. Датц, Дж. Мур, Э. Тейлор. М.: Мир, 1965. 198 с.

6. Черепнин Н.В. Сорбционные явления в вакуумной технике / Н.В. Черепнин. М.: Советское радио, 1973. 384 с.

7. Добрецов Л.Н. Эмиссионная электроника / Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова. М.: Наука, 1966. 180 с.

Лемякин Андрей Алексеевич — Lemyakin Andrey Alekseyevich -

ассистент кафедры Assistant of the Department

«Электронное машиностроение и сварка» of «Electronic Machine-building and Welding»

Саратовского государственного of Saratov State Technical University

технического университета

Воронин Валерий Иванович - Voronin Valery Ivanovich -

кандидат технических наук, доцент кафедры Candidate of Technical Sciences, «Электронное машиностроение и сварка» Assistant Professor of the Department

Саратовского государственного of «Electronic Machine-building and Welding»

технического университета of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 23.12.08, принята к опубликованию 25.02.09