Токоподвод электровакуумного прибора

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«»836705

/ с Н ф

Ф (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 05. 07. 79 (21) 2792499/18-25 с присоединением заявки K (51)М. Кл.

Н 01 J 9/24

Гааударстаанный комитет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 07. 06. 81. Бюллетень,% 21

Дата опубликования описания 1 7 . 06 . 8 1 ао донам изобретений и отнрытнй (53) УДК621.385. .032(088 .8) (54) ТОКОПОДВОД ЭЛЕКТРОВЛКУУИНОГО ПРИБОРА

Изобретение относится к области производства различных классов элек- тровакуумных приборов (ЭВП), оболочки которых изготовлены из стекла, и может быть применено при конструировании металлостеклянных токоподводов ЭВП.

В производстве, при испытаниях и эксплуатации электровакуумных приборов к спаям стекла с металлом предъявляется целый ряд требований, а именно механическая прочность, вакуумная плотность, термическая и химическая устойчивость, которые должны обеспечить надежность спаев, Одним из наиболее распространенных видов металлостеклянных спаев ЭВП являются токоподводы (штырьки ножек, дифлекторные и анодные штырьковые выводы, и т.д.).

Конструкция токоподвода влияет на величину термонапряжений, образующихся в металлостеклянном спае при резком изменении температуры окружающей среды. От величины этих термонапряжений существенно зависит процент выхода и надежность ЭВП.

Таким образом, при конструировании токоподводов ЭВП особенно ввжными условиями являются обеспечение минимума габаритных размеров и обеспече. ние соотношений геометрических размеров токоподвода, способствующих минимизации термонапряжений в стекле оболочки ЭВП.

Известны различные конструкции штырьковых металлических токоподводов, завариваемых в стеклянные оболочки ЭВП. Эти конструкции отличаются по диаметру штырькового вывода, его длине, применяемому для изготовления штырькового вывода металлу, сорту стекла оболочки, геометричес 0 кими размерами стеклянной бусы, в которую заварен металлический шть рьковый вывод 11).

Известен токоподвод электровакуумного прибора круглого сечения, 2 где hp д "о

На фиг. 1 изображена предлагаемая конструкция токоподвода электровакуумного прибора; на фиг. 2 — графики изменения во времени радиальных и окружных температурных напряжений, возникающих в токоподводе при отрицательном изменении температуры окружающей среды; на фиг. 3 — графики изменения во времени радиальных и окружных температурных напряжений при положительном изменении температуры окружающей среды; на фиг. 4— кривые изменения во времени радиальных температурных напряжений при отрицательном изменении температуры

Ф окружающей срефы для различных значений величины Е = — — отношения

hp

do расчетной толщины стекла оболочки

hp к диаметру металлического стержня д ; на фиг. 5 — семейство кривых изменения максимальных радиальных температурных напряжений. в зависимости от приведенной величины L

Ф пропорциональной длине части металлического стержня 1„, выступающей из оболочки в окружающую среду (с коэффициентом пропорциональности, равным 2/d<) при различных значениях приведенной величины ., пропорциональной длине части стержня )>, выступающей во внутренний объем

ЭВП, и оптимальном значении б =4; на фиг. 6 — закон изменения максимальных радиальных температурных

5О

3 836705 коаксиально заваренный в стеклянную бусу, имеющую форму тела вращения 2 .

В этом токоподводе отношение диаметра бусы к диаметру металлического стержня составляет не менее четырех. Определение статических

5 термонапряжений и данной конструкции показало, что при такой геометрии токоподвода они минимальны.

В известной конструкции при оптимизации ее по отношению диаметра металлического стержня к диаметру стеклобусы не учитывается влияние других геометрических и теплофизических параметров, а также динамика нагрева или охлаждения токоподвода йа минимизацию нестационарных термонапряжений, Данная конструкция не учитывает влияния длины выступающих частей металлического стержня в окру20 жающую среду и вакуумированный объем

ЭВП; не учитывает динамику взаимодействия токоподвода с нагретой или охлажденной окружающей средой (теплообмен со средой через поверхности металлического стержня и стеклянной оболочки}. Кроме того, известная конструкция не учитывает возникающее в процессе взаимодействия ео средой нестапионарное температурное поле, характеризующееся теплофизическимп параметрами металлического стержня и стекла оболочки, а также их геометрическими размерами. В результате этого при резком изменении темпера- 35 туры окружающей среды в спае возникают достаточно большие нестационарные температурные напряжения.

Целью изобретения является уменьшение габаритов токонодвода и повыше40 ние надежности.

Указанная цель достигается тем, что в токоподводе электровакуумного прибора, содержащем металлический стержень круглого сечения, коаксиально заваренный в стеклянную бусу, имеющую форму тела вращения, отношение части металлического стержня, выступающей из стеклянной бусы в окружающую среду, и части металлическо" го стержня, выступающей из стеклянной бусы во внутренний объем прибора, к диаметру металлического стержня определяется зависимостями

2-4 с 3- .; 2-6 — «(3Е. . « Ет

4 Йо Х 4 Д,- г где 1 — длина части металлического

1 стержня, выступающая из стеклянной бусы;

4 — длина части металлического стержня, выступающая из стеклянной бусы во внутренний объем прибора; — диаметр металлического стержня, а отношение расчетной толщины стеклянной оболочки

ЭВП к диаметру металлического вывода определяется зависимостью (— с 5

4 — расчетная толщина стеклянной оболочки ЭВП, *„И, + „z е о — толщина стеклооболочки ЭВП без учета высоты бус; высота стеклянной бусы, выступающая из оболочки во внешнюю среду; — высота стеклянной бусы, выступающая во внутренний объем ЭВП.

На фиг. 1 токоподвод изображен в цилиндрической системе координат

r0Z. Координата r — текущий радиус, направленный вдоль срединной поверхности стеклянной оболочки, а координата Z направлена вдоль оси стержня. Начало координат выбрано в точке пересечения оси стержня со срединной поверхностью оболочки.

Токоподвод состоит из выступающей во внешнюю среду части металлического стержня 1 диаметром 2 (d0) и длиной 3 (1„ ), выступакщей из оболо ки во внешнюю среду стеклянной бусы 4, диаметром 5 (O) и высотой 6 (h ), стеклянной оболочки 7 с толщиной стенки 8 (h ), стеклянной бусы

9, выступающей из оболочки. во внутренний объем ЭВП, диаметр этой бусы

5 (О), высота 10 (h ), выступающей во внутренний объем ЭВП части металлического стержня 11 диаметром 2 (do и длиной 12 (1 ) . Выступающие части стержней 1 и 11 вместе с участком стержня 13, контактирующим со стеклом, представляют собой металлически стержневой ввод. Точка 14 лежит на линии соединения части стержня 1 и стеклянной бусы 4.

25

J й40

В металло-стеклянном токоподводе 45 при положительном или отрицательном изменении температуры окружающей сре» ды на величину д,С на .поверхности о стекла у границы с металлом- (по окружности диаметром d0), проходящей че- 0 рез точку 14 (фиг, 1), образуются радиальные Ь„и окружные 4q температурные напряжения.

5 8367 напряжений в зависимости от приведенной величины L при фиксированных значениях величин L< и 6 ; на ф» г. 7 — кривые измененйя во времени радиальных температурных на- 5 пряжений при отрицательном изменении температуры окружающей среды для различных значений ограничений

Ио отношения диаметра стеклянной бусы

D к диаметру металлического стержня »0

d и различных значений ограниче1

82»»p нии ш, „и

0 0 0

05 6 статической термоупругости тонких оболочек со стрежневыми включениями

6,= —.—, — — {,,- a,"tè1 4+ +— (-М)

О А <+ 11

У Ер »- 112. 1- 4

f- 11+—

Ь =-6 +d, (, y) Tk) где интегральные характеристики температуры t: Т вЂ” среднеинтегральная температура и Т вЂ” среднеинтеграль+ ный температурный момент имеют вид

+Р

l р tgZ .Яф ) фф

Ъ zkdz хР2 причем температура по толщине оболочки изменяется по закону

t-- T — T

2..+

b йричем.t — температура окружающей среды;

d d — коэффициент температуро ф э ного расширения стекла и металла;

Е, Š— модули упругости стекла и металла; 0 — коэффициенты Пуассона стекла и металла; — расчетная полутолщина бболочки, равная

1» Р 0» ».»+ » »;2.

2 2. 4

R — радиус стержня токоподвода, do равный

Я.

При выводе выражений для 6г и Ь»р для случая внешнего термоудара, действующего на ЭВП, считалось, что через внешнюю поверхность стеклооболочки и выступающую в среду цилиндри- . ческую поверхность (r=-R, d(Z< 4+1„) металлического стержня осуществляется теплообмен с внешней средой по закону Ньютона-;, Внутренняя поверхность оболочки и часть стержня 11 считались теплоизолированными, а между цилнндрической поверхностью стержня (г=

=R,-4 с 2 4 с5 и оболочкой осуществляется идеальнь»й тепловой и термомеханический контакт.

Выражения предлагаемой в результате стационарной

5 Ч введв конструкции токоподвода анализа уравнений нетеппопроводности и квазиПрименив выражения для величин

Ь»- и 6q) проведено вычисление изменяющихся во времени радиальных и окружных температурных напряжений, 5

7, 8 возникающих на поверхности соединения стеклянной оболочки ЭВП и металлического стержня токоподвода при плюсовом и минусовом скачках температуры окружающей среды (+At и

-5t) При анализе принималось, что оболочка ЭВП изготовлена из стекла

С52-1, а металлический стержень токоподвода изготовлен иэ ковара (сплав

H29K18).

Результаты анализа представлены на фиг. 2-4.

По оси абсцисс отложены единицы безразмерного времени Fo

dl

0 dl 2. где а — температуропроводность стексю. ла, (а3 = — „; время, f ) =сек;

6 — расчетная полутолщина стеклянной оболочки, Гд ) =см.

Для стекла С52-1 а=5,61 ° 10

-ъ сю2По Ф =0,2 см единице Го соответствует 7,14 сек.

При оси ординат отложены безразмер ные напряжения р и Ь .

6g

ЕА ЬЧ Eci at где 6y — радиальные напряжения в точ ке.14 на фиг. l, выражены нюх

6 — окружные напряжения в этой точке.

Величины Е, 4> и ьФ указаны выше.

При анализе теплофизические и механические характеристики стекла С52-1 и ковара принимались следующие:

E=6250 — а, Е0=20. 000 мм, кГ, кГ

Ф гРад < град

В этом случае при скачке температур д й1 =150"С единице величины Ьр соответствует 4,87 "

И

При анализе принято, что скачок температур окружающей среды производится наиболее опасным для прочности спаев образом, то есть фронт скачка при изменении температуры во времени имеет прямоугольную форму. Начало отсчета времени на кривых 15-26 (фиг. 2, 3 и 4) -принято в момент изменения температуры окружающей среды.

Учитывая, что напряжения растяжения в стеклянных деталях токоподвода значительно опасней напряжений сжатия, из результатов анализа

36705 8 приведенных на фиг. 2 и 3 делаем выводы:

1. При спаде температуры (-М )bp)

) р 16к .— кривая — 15, бр — кривая

16), б при этом принимают положительные значения, то есть являются напряжениями растяжения .

2. При подъеме температуры (+At)6p)

) Gg (6g — кривая 17, Ьр — кривая 18)

При этом bg принимают отрицательные значения, то есть являются напряжениями сжатия, .а Ge принимая положительные значения, в этом случае меньше, чем gp .

При равенстве по абсолютной величине температурных скачков +Лй и -Qt величины 6 р на кривых 15 (фиг. 2) и 18 (фиг. 3) и 68 -на кривых 16 (фиг. 2) и 17 (фиг. 3.) в каждый .заlIBHHblH момент ввемени Г0 в KQHcTDvK сии токоподвода равны по величине и противоположны ло знаку (для скачков температуры противоположного знака) .

-25 В результате эксперимента и численного анализа установлено, что наиболее опасными для разрушения металлостеклянного токоподвода являются радиальные напряжения растяжения при

30 спаде температур (кривая 15 на фиг.2).

Кривая 15 имеет выступ в начальный период охлаждения. После выступа происходит спад напряжений в стекле токоподвода до стационарного уровня, З5 характеризуемого разностью KTP стекла и металла.

На фиг. 4 приведено семейство кривых изменения радиальных напряжений в токоподводе в зависимости от без

4о размерного време1 и F> при минусовом температурном скачке. При этом кривые 19, 21, 23 и 25 показывают изменение величины Gp в конструкции при

Е =0,5; 2; 4 и 6 соответственно для

45 относительной длины L =L =3

1 Я

L „= 2. (l + 4а) . L = ã. "

Ирху40 1 4 Z d

Кривые 20, 22, 24 и 26 показывают изменение величины бр в стеклобу5О се токоподвода при E. =0,5; 2; 4 и 6 соответственно для относительной длины 1 =1 =10.

Анализ результатов, приведенных на фиг. 4 показывает, что выступ на

55 кривой напряжений bp = бр (Fо ) будет отсутствовать при Е Э 4.

Одновременно можно сделать вывод, что кроме Я на величину 6g в токоподводе влияют величины L.l u

836705

Е> 4;

L1)i 5 И р

Здесь E = ао

2#

1 4О

Ыт до

26

do .

У

Анализируя характер изменения максимальн и радиальных температурных напряжений в конструкции токоподвода при отрицательном скачке температур для E =4 и фиксированной длине L (L =3 — кривая 27, 1 =5— кривая 28 и L<=10 — кривая 29) в зависимости от величины 1 (фиг. S) можно сделать вывод, что величина

ИММФ

6 . в бусе токоподвода, уменьшается с возрастанием L„è достигает установившегося значения при 1„ ) 5,см. ( фиг. 5). Учитывая это, приведен анализ влияния L на величину напряmaw жений 4< в койструкции при Я .=4 и L =5, то есть оптимальных значе% р ЕЧ ний f и L, (фиг. 6). Величина 6 в токоподводе (фиг. 6) при внешнем одностороннем термоударе практически не зависит от значения величины (кривая 30). Однако при изготовлении ЗВП в процессе заварки токоподводов в стеклооболочку, а также при прессовке ножек на токоподводы действует двусторонний термоудар (в начале +At при нагреве оболочки

ЭВП и затем -ht при ее охлаждении).

При двустороннем термоударе треск стекла в зоне токоподводов происхо- . дит на границе выступающей части штыря 1< и в зоне выступающей части штыря 1 . В этом случае анализ и эксперимент.показывают, что 1„ и 1 одинаково способствуют образованию термонапряжений и, следовательно, для более жесткого случая — двустороннего термоудара ограничения на

12,Hàäî накладывать такие же, как ограничения на величину 11 .

Таким образом, оптимальная конструкция токоподвода, в которой наиболее опасные максимальные радиальные термонапряжения растяжения будут сведены к минимуму, должна иметь три основных ограничения:

Кроме этих ограничений для оптимальной конструкции следует применять ограничение 3 4.

4о

На основании вьппеизложениого ограничения конструкции имеют вид

AP д о

5 е.

До 4

4. 1, ) 2. — > 0

) о - ° — )4 ° 0

На фиг. 7 схематически приведе ны кривые изменения радиальных напряжений в стекле токоподвода в зависимости от безразмерного времени Fo при минусовом температурном скачке.

При этом кривая 31 показывает изменение величины Йр при отношении Д 1 8 у .6

ЗО o Ло . < йО 4 дΠ— с4 — -(2 — - (2 — — С 4 ограничения, присущие конструкции, взятой за прототип, и ограничения, предложенные в данном изобретении, не выполняются). Динамические и стагз ционарные напряжения велики.

Кривая 32 показывает изменения

«Э величинь1 hg при отношениях — ) 4

do (выполняет я ограничение прототипа), — 1 2 1; 2. 2 — ; Р (4 (ограни40 < д0

30 чения,предложенные в данном изобретении, не выполняются). Выполнение ограничения прототипа приводит стационарные термонапряжения к минимуму. Однако динамические термонапряжения остаются на высоком уровне.

Кривая 33 показывает изменение величины Ьр при отношениях

D 0.„ Eg 1р

4р „>4j 32 — 32- >, 34 (выполняются ограничения прототипа н три ограничения, предложенные в

4> данном изобретении) ° При этом за счет выполнения предложенных ограничений динамические термонапряжения принимают минимальные значения и по величине меньше стационарных. 3а счет выполнения ограничений прототипа стационарные термонапряжения принимают также минимальные значения, соответствующие разности коэффициентов температурного расширения стекла и металла при установившейся температуре.

При выполнении предложенных огра-. ничений обеспечиваются минимальные габариты токоподвода и включается

30

8367 механизм его температурной инерционности. Он позволяет ограничить нестационарные термонапряжения величиной стационарных термонапряжений и тем самым обеспечить надежность конструкции токоподвода в динамических температурных режимах не.ниже его надежности при стационарных режимах эксплуатации. Минимизация габаритов токоподвода способствует экономии дефицитных металлов, применяемых при изготовлении ЭВП.

Максимальные размеры элементов токоподвода должны ограничиваться технологическими допусками на величины: для диаметра стеклобусы 0 — допуском ЛО; для величины Ь0 допуском

ph0, для величин h, h — допусками д,Ь„ и & соответственно, для величин .1 „, 1 -допусками д1 H Ь1 сооТВеТ 20 с твенно .

Выполнение вышеуказанных ограничений с учетом допусков представлено следующими выражениями:Ж А . <) гв о

1 1 . Z 0 0 +

Я. "",. (2.)

= 2 —, 8<-ь 8 (s)

6g 4 -дю

=2 — (41 0

Учитывая, что наиболее распростра,ненные значения величин диаметра металлического стержня токоподвода (д0) в конструкциях ЭВП изменяются в пределах от 0,5 до 2,5 мм (токоподводы в которых б0 ) 2,5 мм выполняются в виде полого цилиндра), а также

40 применяемые технологические допуски для величин, указанных в выражениях (1-4), двусторонние ограничения для определения оптимальных геометрических соотношений конструкций то45 коподвода будут следующими:

Х7 1

4< (4-1

44 l0 C5; 0

4 . 4, )- c, (3 2-(с9-.

4»Й 2 4 gg

Конструкция токоподвода, выполненная с учетом полученных соотношений и соотношений, присущих прототипу, 55 проведена при изготовлении электровакуумных приборов.

Было изготовлено 30 приборов, каждый из которых имет четыре токо05 l2 подвода (всего 20 токоподводов) .

Параллельно для проверки эффективности указанных ограничений было изготовлено 30 аналогичных приборов со

120 дифлекторными выводами, для которых выполнялось условие оптимизации конструкции — прототипа и не вьг полнялись три условия оптимизации, предложенные в изобретении.

Все приборы были подвергнуты трехкратному испытанию на термоудар по

ГОСТУ 16962-71. Перед началом испытаний оболочки приборов были подвержены тщательному отжигу и откачаны. В процессе испытаний приборы нагревались до температуры +85 С с послео дующим быстрым охлаждением до температуры -60 С ° Было проведено три о цикла таких испытаний. После испытаний прочность спаев токоподвода была проверена путем контроля под микроскопом при 10-ти кратном увеличении для обнаружения тресков и сколов стекла.

В приборах с токоподводами предложенной конструкции треск по дифлекторным выводам составил 2,5%. В то же время в приборах с токоподводами существующей конструкции он. равен 5Х.

Кроме того, были проведены испытания этих двух групп приборов при термоударе 335 С (от +250 С до -85 С по ГОСТ 16962-71). При этом у приборов с оптимальной конструкцией токоподводов количество разрушений уменьшалось в семь раз.

Таким образом, результаты испытаний подтвердили возможность значительного увеличений термопрочности

ЭВП путем примеИЬния описанной конструкции токопровода. Эти оптимальные токоподводы имеют меньшие габариты, чем габариты токоподводов в существующих ЭВП.

Предложенный токоподвод электровакуумного прибора уменьшает расход металлов на токоподвод, уменьшает габариты приборов и повышает их надежность в эксплуатации за счет снижения габаритов токоподводов, повышает качество токоподводов, то есть повышает их термопрочность, надеж1 ность и долговечность за счет снижения термонапряжений, увеличивает диапазон температур, в котором рабо4 тают ЭВП, что устраняет необходимость разработки ряда приборов, работающих в условиях резкого изменения

13 83670 температуры окружающей среды, уменьшает Ж разрушения ЭВП по металлоV стеклянным токоподводам при изготовлении приборов на термических операциях.

Технология изготовления предложенного токоподвода не меняется по сравнению с используемой для известного токоподвода .

10 формула изобретения

5 14

i — длина части металлического стержня, выступающая Hs стеклянной бусы во внутренний объем прибора;

Ь вЂ” диаметр металлического стержня, а отношение расчетной толщины сте- клянной оболочки электровакуумного прибора к диаметру металлического вьг." вода определяется зависимостью

4< <5, hp 0

Токоподвод электровакуумного прибора, содержащий металлический стержень круглого сечения, коаксиально заваренный в стеклянную бусу, имеющую форму тела вращения, о т л и— .ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения его габаритов и повышения надежности, токоподвод выполнен так что отношение длины части металФ

J лического стержня, выступающие из стеклянной бусы в окружающую среду, и длины части металлического стержня, 5 выступающей из стеклянной бусы во внутренний объем прибора, к диаметру металлического стержня определяется зависимостями

35 где 1 — длина части металлического

1 стержня, выступающая из стеклянной бусы; где h — расчетная толщина стеклянP ной оболочки электровакуумного прибора, 11 =h + ;, г, h — толщина стеклооболочки элек"

0 тровакуумного прибора без учета высоты бусы;

h — высота стеклянной бусы, выступающая из оболочки во внешнюю среду;

h — высота стеклянной бусы, выступающая во внутренний объем электровакуумного прибора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Дубровский В.А. и др. Теоретическое и экспериментальное исследование прочности спаев металла со сте" клом. Обзоры по электронной технике, сер. "Электровакуумные и газоразрядные приборы". И., "Электроника", 1974, вып, 4 (199), с. 9-18.

2. Любимов M.A. Спаи металла Со стеклом. M.-Л., "Энергия", 1968, с. 131-142 (прототип).

836705 фиг. 7

Составитель А.Сенчихин

Редактор О.Филиппова Техред М.Голинка ю

Корректор Н.Стец

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 3124/40 Тираж 784

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5