Главная
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2024, № 1-2, с. 49-55.
DOI: 10.15222/TKEA2024.1-2.49
УДК 621.385:536.2
Теплофізична модель термокатода з індукційним нагріванням
(українською мовою)
Писаренко Л. Д., Цибульський І. Л.

Україна, м. Київ, КПІ ім. Ігоря Сікорського.

Побудовано теплофізичну модель та розраховано температурне поле циліндричного термокатода з індукційним нагріванням з урахуванням початкових і граничних умов на основі прийняття припущень для спрощення математичної моделі. При індукційному нагріванні катода встановлюється нестаціонарний процес теплопровідності, який описується диференціальним рівнянням теплопровідності. Просторова симетрія циліндричної конструкції індуктивного термокатода дозволяє скоротити кількість просторових змінних, значно спростити функціональні залежності, обмежити алгоритм розв’язання задачі. Проведена оцінка отриманих наближених рішень на коректність прийнятих спрощень. Відображено перепад між температурами зовнішньої та внутрішньої поверхонь катода, який визначає вибір його геометричних розмірів.

Ключові слова: термокатод, індукційне нагрівання, теплофізична модель, математична модель, наближене рішення.

Дата подання рукопису 20.05 2024
Використані джерела
  1. Whitaker J. C. Power Vacuum Tubes Handbook. USA, New York, Springer New York, 2013, 609 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4684-9987-2
  2. Maikut S., Kuzmichev A., Tsybulskyi L., Shynkarenko N. The physico-topological simulation of a transmission X-ray tube with induction heating of the cathode. Problems of Atomic Science and Technology, 2023, no. 4, pp. 190-195. https://doi.org/10.46813/2023-146-190
  3. Лушкін О. Є. Про ефективні термоелектронні катоди. Український фізичний журнал, 2015, т. 60, № 1, с. 76 - 92. https://doi.org/10.15407/ujpe60.01
  4. Barcellan L., Berto E., Carugno G. et al. A battery-operated, stabilized, high-energy pulsed electron gun for the production of rare gas excimers. Review of Scientific Instruments, 2011, vol. 82, iss. 8, 095103. http://doi.org/10.1063/1.3636078
  5. Lin X. W., Hu J. G., Seidman D. N., Morikawa H. A miniature electron-beam evaporator for an ultrahigh- vacuum atom-probe field-ion microscope. Review of Scientific Instruments, 1990, vol. 61, iss. 12, pp. 3745 - 3749. http://doi.org/10.1063/1.1141547
  6. Sikora J., Kania B., Mroczka J. Thermionic electron beam current and accelerating voltage controller for gas ion sources. Sensors, 2021, vol. 21, iss. 8, 2878. http://doi.org/10.3390/s21082878
  7. Chen D., Jacobs R., Petillo J. et al. Physics-based model for nonuniform thermionic electron emission from polycrystalline cathodes. Phys. Rev. Applied, 2022, vol. 18, 054010. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.054010
  8. Gao J.-Y., Yang Y.-F., Zhang X.-K. et al. A review on recent progress of thermionic cathode. Tungsten, 2020, vol. 2, pp.289 - 300. https://doi.org/10.1007/s42864-020-00059-1
  9. Sitek A., Torfason K., Manolescu A., Valfells A. Space-charge effects in the field-assisted thermionic emission from nonuniform cathodes. Physical Review Applied, 2021, vol. 15, iss. 1, 014040, https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.014040
  10. Liu X., Zhou Q., Maxwell T. L. et al. Scandate cathode surface characterization: Emission testing, elemental analysis and morphological evaluation. Materials Characterization, 2019, vol. 148, pp. 188 - 200. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.12.013
  11. Wang J., Yang Y., Wang Y. et al. A review on scandia doped tungsten matrix scandate cathode. Tungsten, 2019, vol. 1, pp. 91 - 100. https://doi.org/10.1007/s42864-019-00007-8
  12. Sitek A., Torfason K., Manolescu A., Valfells A. Edge effect on the current-temperature characteristic of finite-area thermionic cathodes. Physical Review Applied, 2021, vol. 16, iss. 3, 034043. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.034043
  13. Jassem A., Chernin D., Petillo J. J. et al. Analysis of anode current from a thermionic cathode with a 2-D work function distribution. IEEE Transactions on Plasma Science, 2021, vol. 49, no. 2, pp. 749 - 755. https://doi.org/10.1109/TPS.2020.3048097
  14. Chernin D., Lau Y. Y., Petillo J. J. et al. Effect of nonuniform emission on miram curves. IEEE Transactions on Plasma Science, 2020, vol. 48, no. 1, pp. 146 - 155. https://doi.org/10.1109/TPS.2019.2959755
  15. Kania B. Digital approach to thermionic emission current to voltage conversion for high-voltage sources of electrons. Informatyka, Automatyka, Pomiary W Gospodarce I Ochronie Srodowiska, 2022, vol. 12, no. 4, pp.78 - 81. https://doi.org/10.35784/iapgos.3255
  16. Chen D., Jacobs R., Vlahos V. et al. Statistical model of non-uniform emission/rom polycrystalline tungsten cathodes. International Vacuum Electronics Conference (IVEC). 2019, IEEE, 2019, pp. 1 - 2. https://doi.org/10.1109/IVEC.2019.8745051
  17. Chen D., Jacobs R., Morgan D., Booske J. Impact of nonuniform thermionic emission on the transition behavior between temperature- and space-charge-limited Emission. IEEE Transactions on Electron Devices, 2021, vol. 68, no. 7, pp. 3576 - 3581. https://doi.org/10.1109/TED.2021.3079876
  18. Zhenhua W., Min Hu, Zelong Li et al. The method of heating the cathode using electromagnetic induction. Pat. China, no. 111613495B, 2021. https://patents.google.com/patent/CN111613495B/en
  19. Andrews H. L., Alexander A., Beckman D. T.et al. A laser heated thermionic cathode. 15th International Particle Accelerator Conference, Nashville, TN, 2024. https://doi.org/10.18429/JACoW-IPAC2024-WEPC55
  20. Цыбульский Л.Ю. Пути улучшения характеристик индукционных испарителей. Электроника и связь, 2003, № 20, c. 157 - 160.
  21. Kuzmichev A, Tsybulsky L. Evaporators with Induction Heating and Their Applications. Chapter 13. In book: Advances in Induction and Microwave Heating of Mineral and Organic Materials, Ed. by S. Grundas, InTech Open, Rijeka, 2011, pp. 269 - 302. https://doi.org/10.5772/13934
  22. Bergman T. L., Lavine A. S., Incropera F. P., DeWitt D. P. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. USA, Wiley, 2020, 992 p.