Lib.ru : Ашкинази Леонид Александрович. Материалы электронных эмиттеров (Часть I I. Термоэлектронные катоды)

Ашкинази Леонид Александрович
Материалы электронных эмиттеров (Часть I I. Термоэлектронные катоды)

Lib.ru/Современная: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Помощь]

Комментарии: 2, последний от 13/10/2019. © Copyright Ашкинази Леонид Александрович (leonid2047@gmail.com) Размещен: 21/04/2007, изменен: 15/02/2013. 300k. Статистика. Учебник: Естеств.науки Иллюстрации/приложения: 1 шт.	Оценка: *7.003** Ваша оценка:

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

>Московский

государственный институт электроники и математики (Технический университет)

>Л.А.АШКИНАЗИ,

В.С.ПЕТРОВ

>МАТЕРИАЛЫ

ЭЛЕКТРОННЫХ ЭМИТТЕРОВ

>Часть

I I. Термоэлектронные катоды

>Учебное

пособие

>Москва

1997

>ББК 32.

852.3 А 98

>УДК

621.385.7.217.3.001.5

>Рецензенты:

>докт.

техн. наук И.В.Буров (Институт металлургии им. А.А. Байкова РАН)

>канд.

физ.-мат. наук В.И.Капустин (Государственное научно-производственное

объединение "Торий")

>Ашкинази

Л.А., Петров В С.

>А98

Материалы электронных эмиттеров. Ч. II.: Учеб. пособие/ Л.А.Ашкинази,

В.С.Петров; Моск. гос. ин-т электроники и математики. М., 1997. 68 с.

>ISBN >

5-230-22283-3

>Рассматриваются

термоэлектронные катоды, их типы и параметры, физическая модель, нагрев катода,

взаимодействие катод-прибор, эмиссионная активность катодов, низкотемпературные

и высокотемпературные катоды.

>Предназначено

для студентов дневного и вечернего отделений специальности 2004

"Электронные приборы и устройства".

>ББК

32.852.3

>ISBN >

5-230-22283-3 ? Ашкинази Л.А., 1997

>Оглавление

>Введение....................................................................................................

>1. > Общая

модель работы катодов............................................................

>2. >

Термоэлектронные катоды...................................................................

> 2.1. > Общее

описание............................................................................

> 2.2. > Типы

катодов................................................................................

> 2.3. >

Проблема стандартизации испытаний....................................... 9

>3. >

Применение металлов и сплавов для термокатодов.......................... 11

>4. >

Высокотемпературные катоды...........................................................

. 16

> 4.1. >

Высокотемпературные оксидные катоды................................... 16

> 4.2. >

Композиты на основе металлов - WCTh-катоды,

Мо-Lа₂О₃-катоды.......................................................................

> 4.3. >

Боридные катоды.......................................................................

> 4.4. >

Карбидные катоды......................................................................

>5. >

Низкотемпературные катоды..............................................................

> 5.1. >

Оксидные катоды.........................................................................

> 5.2. >

Импрегнированные, диспенсерные, распределительные

катоды, L-катоды, BN-катоды....................................................

> 5.3. >

Проблема низкотемпературных катодов со стабильной

эмиссией..........................................................................................

>6. >

Тепловые параметры катодов................................................................

>7. >

Взаимодействие катод-прибор...............................................................

>8. >

Сопоставление высокотемпературных катодов с

низкотемпературными...........................................................................

>9. > Нагрев

катодов........................................................................................

>Приложение..............................................................................................

> 1. >

Некоторые понятия теории электричества.................................... 59

> 2.

Физико-химическая природа поверхности................................... 63

>Библиографический

список........................................ ................. .......... 67

>Введение

>Издание

данного пособия вызвано недостатком монографий и учебников, посвященных

катодной технике. Последняя монография по катодам всех типов [1] вышла в 1966

г. Монографии, изданные позже [2-5], были посвящены какому-то одному или двум

типам катодов.

>Пособие

базируется на серии обзоров, дающих общую картину развития отрасли примерно с

начала 1970-х годов [6-10]. По отдельным аспектам катодной техники за последнее

время изданы обзоры [11-14], более ранние ссылки можно найти в работах [6-10].

>Данное

пособие (Ч.II) является продолжением пособия (Ч.I) [15], в котором были

изложены физические принципы работы материалов электронных эмиттеров.

Предполагается издание части III, посвященной всем остальным - не термоэлектронным

- катодам, термодинамике и кинетике реакций на поверхности катодов.

>Катодное

материаловедение занимает важное место в материаловедении электронных приборов,

так как срок службы электровакуумных приборов определяется, как правило, сроком

службы катодов. Электровакуумные же приборы применяются в современной технике

тогда, когда надо преобразовывать электромагнитные сигналы высокой частоты и

большой мощности. Поэтому работа радио-, телеаппаратуры и космическая связь

зависят, как и раньше, от надежности и срока службы электровакуумных приборов,

от надежности и срока службы катодов.

>1. > ОБЩАЯ

МОДЕЛЬ РАБОТЫ КАТОДОВ

>В

работе катодов значительную роль играют процессы массопереноса. Дело в том, что

от катодов требуется большая электронная эмиссия Плотность тока электронной

эмиссии (А/см²) - главный параметр катодов, и именно ее величина

определяет применимость материала катода. Эмиссия зависит от работы выхода

электрона j, эВ, а она, в свою очередь - от химического состава и

атомно-кристаллической структуры. Структура с малой работой выхода образуется

во многих случаях в процессе изготовления, а этот процесс включает в себя

нагрев. Кроме того, раз эмиссия растет с увеличением температуры, катоды во

многих случаях нагревают. Наконец, в некоторых случаях катоды нагреваются

протекающим по ним током, который потом они эмитируют. Таким образом, нагрев

есть почти всегда. При нагреве увеличиваются потоки диффузии и испарения (кг/м²)

т.е. возрастает массоперенос. Поэтому, пытаясь увеличить эмиссию, мы

сталкиваемся с ограничением по сроку службы, т.е. временем, в течение которого

катод сохраняет заданную плотность тока электронной эмиссии. Следовательно,

достигнутое состояние по каждому типу катодов - это компромисс между

параметрами (эмиссией) и сроком службы. Прогресс в катодной области

определяется как оптимизацией имеющихся, так и созданием новых составов и

структур катодов, таких, что соотношение уровня эмиссии и срока службы

оказывается более благоприятным.

>Пусть

катод содержит активное вещество, которое взаимодействует с другим веществом -

активатором, выделяя некий элемент или вещество, поступающее через диффузионный

барьер на подложку для эмитирующей структуры. Это вещество взаимодействует с

подложкой и веществами, попадающими на подложку из объема прибора, и образует

на подложке эмитирующую структуру (рис. 1).

>Рис. 1.

Общая модель работы катода

>На рис.

1 показаны четыре пространственные области. Перечислим их снизу вверх: тело

катода, содержащее активное вещество, активатор и прочие элементы, диффузионный

барьер, сквозь который диффундируют продукты реакции и прочие элементы,

подложка, на которой в результате миграции, сорбции, коалесценции и десорбции

образуется активная структура, и вакуум. Сквозь катод распространяются ток,

эмитируемый в итоге активной структурой в вакуум, тепло, излучаемое в вакуум, и

потоки веществ, в итоге испаряемые в вакуум. Из вакуума же могут приходить

потоки веществ, сорбируемых катодом.

>Можно

представить себе катод, для описания которого требуется более сложная модель.

Но для практически встречающихся случаев такой модели достаточно. С другой

стороны, многие катоды не содержат некоторых элементов этой модели, и их

описание выглядит проще. Далее мы рассматриваем конкретные катоды, описывая их

в рамках этой модели. Разделим катоды по традиции на термо-, вторично-, фото-,

автокатоды и дополнительно к [15] рассмотрим термоавтокатоды, фотоавтокатоды и

прочие ненакаливаемые катоды.

>В

рамках применяемой нами модели эмитирующая структура и, следовательно, эмиссия

катодов определяются:

>- > подложкой

для эмитирующей структуры - ее составом и температурой;

>- >

активным веществом - его составом, количеством, местонахождением;

>- >

активатором - его составом, количеством, местонахождением и температурой зоны

реакции между активным веществом и активатором;

>- >

диффузионным барьером - его коэффициентом диффузии и толщиной;

>коэффициент

диффузии в свою очередь определяется составом, температурой и структурой

барьера;

>- >

потоком на подложку для эмитирующей структуры веществ из прибора; потоки в свою

очередь определяются вакуумом в приборе, ионной и электронной бомбардировкой

катода и напылениями на него;

>- >

потоком веществ из катода на подложку для эмитирующей структуры.

>Вопросы

к главе 1

>1. > Почему

отдельно названо влияние остаточных газов в вакууме на катод и напылений на

катод из прибора? Что измеряет вакуумметр?

>2. >

Обязательно ли одинаковы три температуры, названные в списке в конце главы?

Можно ли сделать катод, у которого эти температуры различны, как это сделать,

какие последствия это будет иметь?

>3. >

Постройте модели работы катода, которые являются упрощением базовой модели -

модель катода без потока из прибора, без потока из объема катода помимо

активного элемента, модель без подложки, модель без диффузионного барьера,

модель без активатора, модель без активного вещества и т.д.

>2. >

ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЕ КАТОДЫ

>2.1. > Общее

описание

>Материал

катода должен обладать высокой электропроводностью, низкой работой выхода

электрона и высокой теплопроводностью. Чем обусловлены эти требования?

>При

низкой электропроводности падение напряжения на эмиттере вычитается из анодного

напряжения, что уменьшает крутизну характеристики электронных ламп. Кроме того,

возникает разогрев эмиттера из-за выделения в нем энергии. Это может быть

использовано, катод даже может работать в режиме саморазогрева. Однако в этом

случае стартовый разогрев все равно нужен, ибо без него нет эмиссии и нет тока.

Такой способ нагрева может быть применен лишь для достаточно высокоомных

катодов, в первую очередь - для оксидного. Но оксидный катод - низкотемпературный,

и его нагрев не слишком сложен.

>Крупногабаритные

высокотемпературные катоды, нагрев которых достаточно сложен, обычно низкоомны.

Кроме того, катод должен работать в глубоком пространственном заряде, когда

колебания температуры не сказываются на эмиссии (иначе возникнет положительная

обратная связь). Но такой режим сокращает срок службы. Наконец, для

крупногабаритных катодов обычен неравномерный по поверхности токоотбор, что

также мешает работе в этом режиме. В результате метод саморазогрева практического

применения не получил. Таким образом, вещество с низкой электропроводностью,

даже при малой работе выхода, применяться как катод не может.

>При

высокой работе выхода электрона необходима высокая температура катода, которая

увеличивает скорость его испарения. В результате уменьшается срок службы,

загрязняется прибор, ухудшается его электропрочность и увеличиваются утечки по

изоляторам. С другой стороны, большая рабочая температура увеличивает проблемы

с нагревом катода (для нагревателя тоже важны рост испарения и потеря прочности

с нагревом) и иногда возникает необходимость охлаждения прибора, т.к. в итоге

вся энергия, потраченная на нагрев катода, должна как-то от прибора уходить.

Кроме изоляторов, которые нагреваются от катода (при этом растет проводимость и

ухудшается электропрочность), большую тепловую нагрузку несут изоляторы и в

самом катоде (точнее, катодном узле или катодно-подогревательном узле),

изолирующие подогреватель от катода. Заметим, что существует три варианта

изоляции подогревателя от катода (рис. 2).

src="MATER2.files/image002.jpg">

>Рис. 2.

Варианты соединения подогревателя и катода в катодно-подогревательном узле.

Напряжение накала 6 В и электронного накала 2 кВ показаны для примера.

>В

первом варианте изолирован один конец подогревателя, а второй конец соединен с

катодом; в этом случае изоляция низковольтна. Напряжение накала редко бывает

более 12 В. Такая конструкция хороша тем, что уменьшается количество выводов от

узла и от прибора, но плоха тем, что в некоторых случаях катод и подогреватель

должны (в схеме, в которой работает прибор) иметь разные потенциалы. Левая

схема на рис.2 плоха тем, что любое случайное касание подогревателя и катода

выводит их из строя (в отличие от среднего на рис. 2 варианта). Но это не имеет

значения, ибо касания все равно недопустимы, т.к. из-за высокой температуры

подогревателя катод в точке касания будет скорее всего проплавлен или

деформирован. В схеме рис. 2 в середине и справа подогреватель полностью

изолирован от катода, вдобавок в схеме с электронным накалом изолятор работает

при высоком напряжении и должен при этом большем напряжении обеспечивать

меньшие токи утечки, т.к. сам по себе ток электронного накала обычно меньше

тока, протекающего по подогревателю.

>Можно

представить себе катодный узел без изоляторов, когда подогреватель настолько

механически жесток, что не нуждается в изоляторах, но эта ситуация довольно

редка. Позже мы к ней еще обратимся в главе 6 - о подогревателях.

>Таким

образом, мы знаем, зачем катодному материалу нужна высокая электропроводность и

низкая работа выхода. Посмотрим, зачем нужна высокая теплопроводность. Как

правило, нагрев катода происходит со стороны, обратной эмитирующей поверхности.

Эмиссия же определяется температурой эмитирующей поверхности и

приповерхностного (на глубину порядка длины пробега электрона, т.е. 0,1 мкм)

слоя. Поэтому перепад температуры на слое катода вынуждает увеличивать

температуру подогревателя и сокращает срок его службы. Таким образом, для

уменьшения тепловых потерь в приборе материал слоя катода должен обладать

относительно высокой теплопроводностью.

>2.2. > Типы

катодов

>Дальнейшее

рассмотрение катодов невозможно без какой-то классификации. Существует

несколько вариантов.

>Один из

возможных путей - классификация по принципу эмиссии, т.е. деление катодов на

термо-, вторично-(электрон-электронные), фото- и автоэмиттеры. Действительно,

если электрон эмитирован, то можно сказать, откуда у него взялась энергия,

определив тем самым механизм. Однако энергия может возникать из нескольких

источников. Действительно, автоэлектронная эмиссия зависит от температуры.

Увеличивая долю одного источника и уменьшая долю другого, можно найти область

параметров, когда источники сравнимы по роли. Такой эмиссии логично присвоить

промежуточное название "термоавтоэмиссия".

>Однако

не всякий катод можно классифицировать по этой схеме. Есть приборы, в которых

от одного и того же катода требуются высокие и термоэмиссия, и

вторичноэлектронная эмиссия (некоторые приборы М-типа). Легко представить себе

ситуацию, когда нужны фото- и термоэмиссия и т.д. Но бывает и наоборот.

Например, для фото- и вторичноэлектронных эмиттеров часто нужна малая

термоэмиссия, в некоторых случаях термоток является помехой.

>С этой

проблемой тесно связан вопрос об антиэмиссионных материалах, т.е. материалах, в

тех или иных условиях имеющих минимальную эмиссию. Например, материал сеток

электронных ламп должен иметь малую термоэмиссию, поскольку сетки нагреваются

от катодов и может возникнуть паразитный ток термоэмиссии с сетки на анод.

>Возможна

и совершенно другая классификация - по природе материалов. Например, катоды из

индивидуальных металлов, из сплавов, из композитов металл+оксид и т.д. Такая

классификация удобна тем, что она снимает вопрос о неоднозначности

классификации по принципу эмиссии. Но возникают новые проблемы. Скажем, во

многих случаях катоды с разным составом имеют одинаковый механизм работы.

>Поэтому

в литературе рассматриваются, как правило, следующие классы катодов: термо-,

фото- и т.д., а внутри каждого класса - типы материалов. При этом получается,

что одни и те же материалы иногда упоминаются несколько раз в разных классах.

Например, оксиды элементов третьей группы упоминаются и как термоэмиттеры, и

как вторичные эмиттеры.

>2.3. >

Проблема стандартизации испытаний

>Важной

задачей является испытание катодов. Катоды весьма чувствительны к условиям

работы, которые влияют на их параметры. Заметим, что не во всех областях

техники существует эта проблема. Например, прочность болта на разрыв зависит

практически только от температуры. Поэтому можно говорить о стандартной

температурной зависимости для некоторого сорта стали. От состава атмосферы,

масла, попавшего на болт и т.п., прочность зависит мало. Поэтому существует

стандартная методика испытания сталей на разрыв и стандартные данные. В

катодной технике ситуация иная. Один и тот же катод может работать в одном

приборе и не работать в другом. Позже мы узнаем, почему это происходит.

>Естественно

в качестве базовой использовать ситуацию, когда окружающая среда не влияет на

работу катода. Давление остаточных газов бесконечно мало, напыления и всякого

рода излучения отсутствуют. Такого рода условия реализовать, казалось бы,

несложно. Однако это не так. Дело в том, что катод сам испаряется и выделяет

газы в атмосферу остаточных газов. Продукты испарения могут оседать на аноде и

возвращаться на катод. Этот эффект называется анодным.

>Между

тем открыты новые виды квазианодных эффектов. Например, электронный пучок

ионизирует продукты испарения катода. И, с одной стороны, эти ионы могут

возвращаться на катод и изменять его состав, с другой стороны, их наличие

изменяет пространственный заряд и тем самым влияет на токоотбор. Сложности

реализации "чистых" условий возрастают с ростом токоотбора, причем и

с ростом плотности тока, и с ростом общего тока. Скажем, отбор тока. 1 А/см²

при площади катода 1 см² в чистых условиях реализовать сравнительно

несложно. Реализовать такой токоотбор при площади 100 см² уже

непросто. Непросто реализовать и токоотбор 100 А/см² при площади 1

см². Ситуация 100 А/см² и 100 см² является

фантастической.

>Что

касается испытаний в реальных условиях, то можно выделить несколько типов

наиболее часто встречающихся условий. Скажем, приемно-усилительная лампа

(устаревшие условия), кинескоп, мощная генераторная и усилительная лампа, СВЧ

(сверхвысокочастотная) малошумящая лампа мм-диапазона, плавильная печь или иная

технологическая установка. Можно попытаться стандартизировать те или иные

условия. Это не сделано, может быть, потому, что срок службы катода в

технологической установке обычно не столь важен, а там, где срок службы должен

быть велик (ЛБВ для спутниковой связи и т.п.), приходится обеспечивать очень

хорошие условия работы. Такие условия обычно реализуют или пытаются реализовать

в испытательных приборах.

>Вопросы

к главе 2

>1. > Чем

опасны касания подогревателя и эмиттера в схемах рис. 2 ?

>2. >Чем

определяются допустимые утечки по изоляторам во всех схемах рис. 2 ?

>3. >

Оцените допустимое удельное сопротивление катодного материала. Плотность тока

эмиссии 10 А/см², допустимое падение напряжения на катодном слое -

10 В, толщина катодного слоя - 1 мм.

>4. >

Оцените необходимую теплопроводность катодного материала. Температура

эмитирующей поверхности 1000?С, коэффициент излучения 0,5, толщина катодного

слоя - 1 мм, допустимое превышение температуры подогревателя над минимально

необходимой - 20?С.

>5. > Почему

ионизация продуктов испарения катода эмитируемыми электронами влияет на

токоотбор?

>6. > Как

вычислить тепло, которое надо отводить от прибора?

>3. >

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ДЛЯ ТЕРМОКАТОДОВ

>Из

чистых металлов и сплавов в качестве термоэлектронных эмиттеров применяется

практически только вольфрам, обладающий наименьшей скоростью испарения

(наибольшим сроком службы) при температурах, обеспечивающих необходимую

эмиссию. Заметим, что по этому параметру оказался наилучшим элемент, имеющий

наибольшую работу выхода, т.е. работающий при наибольшей температуре. Первые

термокатоды были выполнены из вольфрамовой проволоки. В этом случае получить

высокую температуру нетрудно. Впоследствии вольфрамовые катоды выполнялись

почти исключительно двух типов - тонкие проволоки применялись как

прямонакальные катоды, во всех прочих случаях использовался электронный накал,

т.е. нагрев электронной бомбардировкой. Прямонакальные вольфрамовые катоды

применяются в некоторых электронных лампах и по сей день. Довольно ограниченно

- в экспериментальных и технологических установках.

>Вольфрамовая

проволока поликристаллична, что вызывает неравномерность эмиссии. Кроме того,

пучок, эмитированный проволокой, трудно фокусировать. Поэтому делались попытки

применения монокристаллической проволоки или плющенки (тонкой ленты). Основной

недостаток вольфрама - низкая технологичность. Его трудно обрабатывать, он

хрупок, особенно после нагрева. Для преодоления этих недостатков к нему

добавляют 5% или 20% рения (сплавы ВР-5 и ВР-20). Эти сплавы при почти тех же

эмиссии и испарении значительно технологичнее. По некоторым данным, вольфрам,

содержащий мало примесей, технологичен не менее сплавов с рением; это один из

не столь редких в технике примеров, когда с действием одной вредной примеси

борются, вводя другую примесь. Применение материала с примесями стало традицией

и, хотя техника тем временем осваивает новые методы очистки и

"полезные" примеси становятся ненужными, от него не отказываются.

Впрочем, полезный эффект от рения состоит еще и в том, что сплав ВР-20 имеет

значительно большее, чем чистый вольфрам, сопротивление.

>Благодаря

высокой температуре вольфрамового катода на нем мало что сорбируется, а то, что

сорбируется, и образует с вольфрамом соединения, скажем, кислород, в

большинстве случаев быстро испаряется. Поэтому вольфрамовый катод известен как

наименее чувствительный к условиям эксплуатации.

>Вольфрамовые

катоды с электронным накалом применяются как в технологических установках, так

и в исследовательских. Известен по крайней мере один случай попытки применения

вольфрамового катода с электронным накалом в электронном приборе. Хотя это,

конечно, экзотика, но инженер должен уметь предлагать и анализировать и

неожиданные решения.

>Из

других чистых металлов и сплавов тугоплавких металлов в единичных случаях

применялись тантал и рений. Это может быть вызвано низкой технологичностью

вольфрама или отсутствием нужного сортамента. Технологичность рения низка (но

точечной сваркой он сваривается лучше вольфрама), так что его применение

известно, кажется, только в одном случае. Тантал же применяется в

технологических установках, в частности, потому, что изготовление плоских

дисков (эмиттеров) из тантала - существенно меньшая проблема, нежели из

вольфрама.

>Кроме

зависимости эмиссии от грани кристалла у тугоплавких металлов с точки зрения

эмиссии есть еще одна интересная особенность. При пропускании тока по проволоке

из такого металла в некоторых случаях происходит перестройка поверхности. В

зависимости от температуры, величины тока и рода тока (переменный, постоянный)

через некоторое время на поверхности появляется (за счет миграции и, возможно,

дифференцированного испарения) тот или иной рельеф в виде наклонных ступеней.

Физика этого процесса довольно сложна; на эмиссию в режиме пространственного

заряда он не влияет, т.к. высота рельефа меньше расстояния до минимума

потенциала. На эмиссию же в режиме насыщения - влияет.

>Идея

применения сплавов в качестве термоэлектронных эмиттеров, где два металла (или

более) имеют различную природу, базируется на надежде, что один из элементов

сплава, диффундируя к поверхности другого и образуя на нем эмитирующую

структуру, понизит работу выхода. Эта идея всегда стимулировалась, во-первых,

эффективностью работы катода из торированного вольфрама, имеющего на

поверхности вольфрама монослой тория на >W_>2 lang=EN-US >C > , >

во-вторых - неверной гипотезой о природе успешно работающего оксидного катода

(монослой бария на оксиде бария-стронция). С другой стороны, сплав металлов

обещал быть значительно более технологичным, нежели оксидный или, тем более,

вольфрам-бариевый катод.

>Заметим,

что эмитирующая структура может быть нескольких типов. Во-первых, это может

быть монослой второго металла, диффундирующего из глубины сплава. Во-вторых, в

эмитирующую структуру может входить какой-то элемент из объема прибора или еще

один диффузант из катода (ситуация, аналогичная вольфрам-бариевому катоду -

структура W-0-Ba). В-третьих, диффузант или соединение диффузантов между собой

или с элементами из объема прибора может образовывать на поверхности катода

кристаллы. Последнее аналогично BN-катоду или ранней стадии работы WBa-катода. Когда

этот результат только был получен группами под руководством А.В.Дружинина и

Б.Б.Шишкина, возник вопрос : не таковы ли по механизму работы вообще все

эмиттеры? Была опубликована даже статья под необычным для научного журнала

названием "Существуют ли монослойные эмиттеры?"

>Отметим

также, что химические элементы из объема катода не всегда выделяются. Часто

бывает так, что выделение происходит, когда в нем нет необходимости, но

отсутствует, когда оно желательно. Кислород нужен для образования структуры

W-O-Ba в WBa-катоде, причем, оксиды вольфрама легко испаряются, но монослой

кислорода с вольфрама удалить исключительно трудно.

>Из

сплавных катодов получили практическое применение в основном два: Ir-РЗМ и lang=EN-US >Pt >- lang=EN-US >Ba >. В

группе Ir-РЗМ оказались наиболее эффективны >Ir >- lang=EN-US >La >, lang=EN-US >Ir >- lang=EN-US >Ce > и

Ir-La-металл, Ir-Ce-металл, где металл - обычно тугоплавкий, например,

молибден. Катоды Ir-La и Ir-Ce монослойные, лантан и церий образуют эмитирующую

структуру на иридии, с нее они и испаряются, а подпитывается монослой диффузией

через обедненный лантаном (церием) слой, толщина которого составляет

единицы-десятки микрон. Катод оказался не очень технологичным - сплавы иридия с

РЗМ-элементами хрупки, ибо содержат интерметаллид Ir₅Lа.

>Для

увеличения технологичности было предложено вводить РЗМ в уже готовый катод из

иридия или - для экономии довольно дорогого иридия - в пленку из него,

нанесенную на более дешевый металл или углерод. Коэффициент диффузии углерода в

иридии мал, и это было основанием для предположения о том, что диффузия

углерода через иридий не будет мешать работе собственно Ir-РЗМ-катода. Однако

структура иридиевого слоя, остающегося после диффузионного выхода лантана из слоя

Ir-La, полученного в результате гальванохимического процесса внедрения лантана

в иридий, оказалась таким, что коэффициент диффузии лантана в иридий был весьма

велик. Скорость испарения лантана из иридия столь велика, а срок службы столь

мал, что преимущества катода оказались утерянными.

>Другой

путь регулирования свойств катодов оказался эффективнее. Сплавы Ir-РЗМ-металл в

зависимости от вида третьего металла и его концентрации при малом (порядка

единиц %) содержании третьего металла имели эмиссионные свойства, слабо

отличающиеся от свойств сплавов Ir-РЗМ, но большую устойчивость к отравлению,

ценой, естественно, большего испарения.

>Второй

пример сплавного катода - это сплав Pt-Ba, где барий образует твердый раствор и

интерметаллид. Пленка бария на платине не слишком эффективна (хотя, конечно,

эффективнее чистой платины), но тем не менее такой катод нашел применение как

вторичноэлектронный.

>Параметры

и применение катодов из чистых металлов и сплавов

>Из

чистых металлов применяется практически только вольфрам, как имеющий

максимальную эмиссию при определенной скорости испарения. Если трудно получить

необходимую для эмиссии рабочую температуру (для эмиссии 0,1-1 А/см²

2150-2350?С) вместо вольфрама применяют тантал. В этом случае нужны температуры

на 150?С ниже. Потоки испарения соответственно составляют: для вольфрама 4^.10^-10-10^-8

г/см^2.с, для тантала 3^.10^-9-3^.10^-8

г/см² (несмотря на более низкую температуру). Токоотбор от режима

работы (длительности импульса, скважности) не зависит, потому что катод имеет

низкое сопротивление и стоек к воздействиям со стороны прибора. Из-за высокой

температуры на нем не задерживаются загрязнения. Срок службы катода

определяется испарением, однако, если катод является прямонакальным, он

перегорает из-за лавинного процесса - испарения и разогрева, ускоряющих друг

друга. Происходит это за время примерно 0,1 отношения толщины к скорости

испарения, т.е. 0,1 теоретического срока службы. Металлосплавные катоды на

основе сплавов тугоплавких металлов в качестве термокатодов практически не

применялись; немногочисленные попытки их применения в качестве катодов с

вторичной эмиссией указаны в соответствующем разделе. Это же относится к

катодам группы (Pt,Ni)-ЩЗМ.

>Довольно

широкое распространение получили катоды группы ( >Ir >, lang=EN-US >Re >, lang=EN-US >Os >) -

РЗМ, чаще всего из этих катодов применяются >IrLa >, lang=EN-US >IrCe >. Для

катода IrLa при 1430-1830?С эмиссия 8-130 А/см², скорость испарения 10^-11-1,5^.10^-8

г/см^2.с. Для IrCe-катода соответственно 10-150 А/см² и 10^-12-1,5^.10^-9

г/см^2.с. При этом срок службы, по данным эксперимента, составляет

при 100 А/см² 1000 час. По данным о скорости испарения при меньших

токоотборах, срок службы должен быть существенно больше. Так, при 10 А/см²

он должен достигать 100.000 час. Важной проблемой этих катодов является

экономия иридия. С этой целью предлагались разные варианты пленочных катодов с

уменьшенным содержанием иридия. Естественно, при этом сразу возникают проблемы

диффузии иридия в подложку и материала подложки в иридий, влияния этой диффузии

на эмиссию и срок службы.

>С

другой стороны, высокий срок службы этих катодов предполагает при некотором

увеличении испарения увеличение стойкости к отравлению ценою не слишком

существенного уменьшения срока службы. С этой целью к сплавам Ir-РЗМ добавляют

третий металл, например, молибден. Такие катоды действительно имеют большее

испарение со всеми вытекающими отсюда последствиями. Изменяя количество

третьего металла, можно управлять параметрами катода. Механизм действия

третьего металла может быть различным. Он может ускорять разложение соединения

иридия с РЗМ (в виде которого и находится основное количество РЗМ в катоде) или

увеличивать скорость диффузии РЗМ в иридии.

>Естественно,

возникает идея создать катод с подложкой из иридия для эмитирующей структуры

РЗМ на иридии, а запас РЗМ содержать в каком-то ином, не требующем иридия,

виде. В связи с этим был создан катод из рения с добавкой LaB₆

(запас лантана) и покрытием из иридия. Эмитирующая структура такого катода - lang=EN-US >Ir >- lang=EN-US >La >. Более

подробно это перспективное направление не разрабатывалось.

>В некоторых

случаях на поверхности катодов Ir-РЗМ обнаружен кислород (IrCe-и

IrMoCe-катоды). Однако неизвестно, являлся этот кислород загрязнением или

входил в эмитирующую структуру.

>Ввиду

дороговизны катодов Ir-РЗМ они применяются в случаях, когда необходима высокая

плотность эмиссии при небольших размерах катода, т.е. почти исключительно в ЭВП

СВЧ миллиметрового диапазона. Известны одиночные случаи их использования в

других приборах и в экспериментальных физических установках.

>Вопросы

к главе 3

>1. > Почему

сплав ВР20 имеет большее сопротивление, нежели вольфрам?

>2. > Работа

выхода тантала меньше, чем у вольфрама, так что рабочая температура

вольфрамового катода 2250?С, а танталового - 2100?С. Коэффициент излучения

вольфрама 0,3, тантала - 0,25. У какого из этих металлов и насколько больше

излучаемая при работе в качестве катода мощность?

>3. > Какой

коэффициент излучения имеется в виду в предыдущем вопросе - спектральный или

интегральный, полусферический или нормальный? Дайте их определения.

>4. > Что

такое минимум потенциала, каково расстояние до него и как оно зависит от

температуры?

>5. > Какое

соотношение скорости диффузии и скорости испарения необходимо, чтобы на

поверхности удерживался монослой диффундирующего из глубины сплава металла?

>6. > На

основании того, что в течение срока службы в тысячи и десятки тысяч часов,

когда толщина обедненного вторым компонентом слоя меняется в десять - сто раз,

продолжает удерживаться монослой, какую зависимость скорости испарения от

концентрации вы изобразите?

>7. > Что

такое интерметаллид?

>8. > Что

ограничивает срок службы катода Ir-La на основе пленки иридия, нанесенной на

тугоплавкий металл?

>9. > Катод

Ir-РЗМ с добавками третьего металла имеет большую устойчивость к отравлению за

счет большего потока РЗМ и большего испарения. Уменьшается ли при этом срок

службы? Разберите два случая -третий металл увеличивает коэффициент диффузии

РЗМ в иридии и третий металл стимулирует процесс разложения интерметаллида.

>10. >

Опишите упомянутые в этом разделе катоды по схеме, приведенной в начале

пособия.

>11 > .Назовите

параметры катодов.

>12. >Назовите

области применения катодов.

> 4.

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ КАТОДЫ

>4.1. >

Высокотемпературные оксидные катоды

>Высокотемпературный

оксидный катод на основе оксидов ThO_>2 >, Lа₂O₃,

Y₂O₃ изучен не очень хорошо и применяется он довольно

ограниченно. Эти оксиды более стойки к электронной бомбардировке, поэтому чаще

применяются в качестве катодов в приборах М-типа, в которых катод

бомбардируется электронами и для работы которых важна вторичная

электрон-электронная эмиссия. Подробнее эти катоды рассмотрены в разделе,

посвященном вторичным катодам.

>4.2. >

Композиты на основе металлов - WCTh-катоды, Мо-Lа₂O₃-катоды

>Первоначально

в катодной технике применялся чистый металл - вольфрам. Одним из путей

улучшения параметров катода оказалось добавление к вольфраму окиси тория lang=EN-US >ThO_>2 >. >

Механизм действия этой добавки несложен: торий диффундирует на поверхность

вольфрама, образует на нем монослой, увеличивающий эмиссию, и затем испаряется.

Поддержание монослойной (наиболее эффективной с точки зрения эмиссии)

концентрации зависит от соотношения скорости испарения многослойного покрытия и

скорости диффузии. Скорость диффузии зависит в свою очередь от коэффициента

диффузии и от распределения диффузанта (в данном случае - частиц lang=EN-US >ThO_>2 >) > в

матрице (в данном случае - в вольфраме). Заметим, что для поддержания

оптимальной концентрации нужно поддерживать постоянный поток диффузанта. Задача

нахождения распределения диффузанта в матрице, реализующего постоянный поток,

решена. Однако для применения этого решения требуется реализовать довольно

сложное распределение ThO_>2 > в

вольфраме, между тем выигрыш получается невелик. В частности, легко показать,

что для плоской диффузионной задачи, когда поток пропорционален корню

квадратному из времени, количество диффузанта, испарившееся из катода к моменту

конца срока службы, лишь в два раза больше, чем при постоянном потоке.

>Заметим,

что аналогичная задача существует и для оксидного катода. В течение длительного

времени считалось, что для работы катода необходим поток активатора.

По-видимому, в плохих вакуумных условиях это действительно так. В этом случае

лучше всего иметь постоянный поток, а для этого надо специальным образом

распределить активатор в керне. В области оксидного катода слабая попытка

регулировать зависимость потока от времени предпринималась в виде плакированных

кернов, когда никель с активатором кальция покрывался слоем чистого никеля.

>С

другой стороны, большой поток активатора в начале работы катода практически

используется, во-первых, для обработки оксидного катода, форсирования

установления квазиравновесного состояния, во-вторых - для окончания вакуумной

обработки прибора. Дело в том, что активатор в оксидном катоде и активный

металл в других катодах, как правило, химически весьма активны, они связывают

окислительные компоненты остаточных газов, улучшая вакуум в приборе. Конечно,

использование катода в качестве геттера нежелательно и прежде всего потому, что

продукты взаимодействия могут накапливаться в катоде, ухудшая его проводимость.

Но раз уж есть излишний поток активатора, то можно им воспользоваться для

уменьшения времени вакуумной обработки.

>Однако

энергия связи монослоя тория на вольфраме такова, что и испаряется он быстрее,

чем хотелось бы, и плохо работает в условиях ионной бомбардировки, разрушающей

монослой тория. Между тем в период возникновения WTh-катодов вакуум в приборах

был невысок.

>Для

увеличения энергии связи было применено карбидирование >WTh >-катода

- выдержка при нагреве в углеродсодержащем газе, при этом на некоторую глубину

вольфрам переходит в карбид W_>2 lang=EN-US >C >. После

этого энергия связи тория с подложкой увеличивается (с >W_>2 lang=EN-US >C > она

больше, чем с вольфрама), эмиссия практически не меняется, устойчивость к

ионной бомбардировке возрастает.

>Однако

в этом случае изменяется причина ограничения срока службы. Оказалось, что не

только количество ThO₂ > и

поток тория (определяющие значения срока службы по запасу тория), но и

количество W₂C и поток углерода (определяющие значение срока службы

при декарбидизации), ограничивает срок службы.

>Увеличить

же содержание W₂C нельзя, ибо хрупкость проволоки возрастает и катод

теряет прочность. Заметим, что в более высоком вакууме, когда процесс

декарбидизации становится несущественным, срок службы опять начинает

определяться расходом тория.

>Принято

считать, что в низком вакууме срок службы уменьшается. Между тем, как правило,

эта зависимость косвенная. Низкий вакуум вынуждает увеличивать рабочую

температуру, чтобы противостоять отравлению, а это, в свою очередь, уменьшает

срок службы. На примере катода WCTh > мы

видим, что бывают ситуации, когда вакуум влияет на срок службы непосредственно

(через декарбидизацию - расход W_>2 lang=EN-US >C > и

последующее быстрое удаление тория). Считается, что в некоторых случаях с

ухудшением вакуума уменьшается (при той же температуре) срок службы оксидного

катода, т.к. поток активатора, поддерживающий работоспособность катода,

уменьшается со временем и в худшем вакууме раньше наступает момент, когда его

становится недостаточно. Экспериментально показано, что срок службы зависит от

давления остаточных газов для Мо-La₂O₃-катода,

рассмотренного ниже в этом же разделе.

>На lang=EN-US >WCTh > - > катоде

методом киносъемки в эмиссионном микроскопе был зафиксирован красивый эффект,

заслуживающий отдельного упоминания. Опишем механизм эффекта, как он был

установлен по результатам исследований. Из частицы >ThO_>2 >,

находящейся в глубине W-матрицы, торий по дислокационной трубке или

микротрещине поступает на поверхность и сначала образует на ней поверхностное

объемное образование, которое увеличивается в размере, т.к. торий поступает

быстрее, чем испаряется. В какой-то момент это поверхностное образование, как

капля, растекается по поверхности вольфрама, поверхность тория и скорость

испарения резко возрастают, "лужа" быстро исчезает, и капля опять

начинает расти на прежнем месте.

>Вторым

примером катода из композита на основе металла является катод Мо-La₂O₃.

Предложенный сравнительно недавно именно для замены WCTh-катода этот катод,

благодаря высокой технологичности (молибден технологичнее вольфрама) и хорошим

параметрам, уже нашел применение в мощных электронных лампах. Катод Мо-La₂O₃

является катодом, в котором экспериментально обнаружена зависимость срока

службы от давления остаточных газов. Заметим, что работы по замене тория в

WCTh-катоде велись, но, видимо, не были доведены до конца - до замены тория на

лантан, а вольфрама - на молибден.

>Исторически

WCTh-катод был развитием WTh >, а

WTh-катод -вольфрамового. Металл удобен технологически, хорошо проводит ток,

производство деталей из металлов освоено. Небольшая добавка, не ухудшающая этих

свойств, может значительно увеличить эмиссию. Так возникали все катоды этой

группы.

>Параметры

и применение WCTh и Мо-La₂O₃-катодов

>Для

собственно WCTh-катода при 1700-1880?С токоотбор составляет 2-10 А/см²,

срок службы 100.000-3.000 ч, скорость испарения 10^-11-10^-10

г/см². Есть данные по токоотбору: 33 А/см² при 2080?С.

Срок службы определяется декарбидизацией, не зависит от токоотбора и при

увеличении давления остаточных газов от 10^-5-10^-2Па, по

литературным данным, уменьшается в 3 раза, а в окислительной атмосфере еще в 2

раза. WCTh-катод выполняется обычно прямонакальным; однако карбид вольфрама

хрупок, и глубина карбидизации ограничена, а проволоку большого диаметра

использовать нельзя как по причинам электронно-оптического характера, так и

из-за ограничения тока накала.

>Заметим,

что подобная связь и взаимообусловленность параметров -постоянное явление и в

катодной технике, и в технике вообще. Наверное, именно понимание этих связей и

можно назвать пониманием техники.

>Предлагались

WCTh-катоды косвенного накала, но распространения они не получили.

>Другие

предложения и попытки улучшения WCTh-катода следовали обычной схеме. Во-первых,

это применение активаторов - веществ, увеличивающих поток тория, во-вторых,

замена углерода на бор, тория - на лантан, покрытие катода пленкой с целью

перехода от структуры "торий на карбиде" к структуре "торий на

пленке". В большинстве случаев при таких усовершенствованиях эмиссия

несколько увеличивается, однако срок службы оказывается мал. Поэтому

модификации WCTh-катода широкого распространения не получили.

>Из

других композитов на основе металла успешно применяется катод Мо- La₂O₃.

У этого катода при 1460-1500?С эмиссия 2-10 А/см², срок службы 100.000-5.000

ч. Таким образом, катод по сроку службы при заданной эмиссии не уступает

WCTh-катоду, но он более технологичен (из-за замены вольфрама на молибден) и

удобнее для применения в приборах (из-за меньшей температуры). Предпринимались,

разумеется, попытки этот катод и карбидировать, и покрывать пленками металлов,

но данных по таким катодам недостаточно.

>Имеются

также данные по многим другим комбинациям металл-оксид, но практического

применения они в качестве термокатодов не получили. WCTh и Мо-La₂O₃-катоды

применяются в основном в мощных электронных лампах, а WCTh-катод - еще в

магнетронах массового применения ввиду его дешевизны.

>Вопросы

к разделу 4.2

>1. >

Объясните, почему при потоке диффузанта, пропорциональном lang=EN-US >t^>-1/2 >, выход

диффузанта к концу срока службы в 2 раза больше, чем при оптимальном постоянном

потоке.

>2. > Получите

результат: поток пропорционален t^>-1/2 >.

>3. > Как

надо распределить активатор в керне оксидного катода и диффузант в катодах типа

металл-композит, чтобы иметь постоянный поток?

>4. > Каковы

механизмы зависимости срока службы от давления остаточных газов для оксидного

катода и WCTh-катода. Как вы полагаете, каков может быть механизм этого явления

для Мо-La₂O₃ - катода?

>5. > Что

такое дислокационная трубка?

>6. >

Опишите упомянутые в этом разделе катоды по схеме, приведенной в начале

пособия.

>7. >

Назовите основные параметры катодов.

>8. >

Назовите основные области применения катодов

>4.3. >

Боридные катоды

>Мало

найдется, наверное, веществ, которые не исследовались на применимость в

качестве термоэмиттеров. В самом первом приближении достаточно проверить

проводимость, а затем определить работу выхода электрона, вычислить

температуру, при которой будет получена представляющая технический интерес

эмиссия, и сравнить эту температуру с температурой плавления.

>В этом

разделе мы рассмотрим бориды. По проводимости, работе выхода и температуре

плавления все они могут быть эмиттерами. Но температура, необходимая для

эмиссии - порядка 1500-1700?С - достаточно велика. К моменту открытия боридных

катодов в технике уже использовался катод из чистого вольфрама (он, собственно,

был первым катодом). Нагреть до 2500?С металлическую нить нетрудно, и сделать

нить из вольфрама относительно легко. Иное дело - бориды, нити из которых

научились делать сравнительно недавно. Это кристаллическое вещество, которое

можно растолочь в порошок, так или иначе покрыть этим порошком металл и спечь

порошковое покрытие (собственно, так и делается боридный катод). Можно также

попытаться вырезать из кристалла борида некий стержень или трубку и нагреть ее,

пропустив ток. Получится прямонакальный катод, а покрытие на металле можно либо

нагревать косвенным накалом, либо опять же использовать как прямонакальный

катод.

>Плохо

то, что сопротивление боридов довольно мало, а тонкий стержень или тонкостенную

трубку вырезать из них трудно, да и они хрупки, покрытие на металле тоже будет

низкоомно. В результате прямонакальные гексаборидные катоды получили

распространение при изготовлении эмитирующей поверхности только самых маленьких

размеров (1мм² и менее). Катоды косвенного накала могут иметь

металлическую подложку (как оксидный катод), могут быть выполнены при не

слишком больших габаритах и, желательно, при несложной поверхности из целого

куска гексаборида, либо состоять из отдельных кусков гексаборида, заделанных,

например, в графитовый керн. Последнее особенно удобно для многолучевых

электронных приборов.

>То, что

гексабориды используются преимущественно для катодов косвенного накала, т.е.

либо в виде покрытия на металле, либо в виде куска гексаборида, контактирующего

с металлом или графитом именно в горячей зоне, породило проблему, в течение

многих лет бывшую для гексаборидов ключевой. Оказалось, что при рабочих

температурах этих катодов гексабориды реагируют со всеми веществами, при этом

либо разрушается контактирующая деталь и катод рассыпается, либо гексаборид

изменяет свой состав. После долгих поисков выяснилось, что наилучшим контактным

материалом является графит, из металлов - рений (но он дорог), затем тантал. В

настоящее время в катодной технике применяются тантал, желательно, с прокладкой

фольги из рения или графита, либо, если конструкция допускает - графит.

>С

другой стороны, взаимодействие с металлом подложки влечет разложение

гексаборида, металл превращается в борид, а второй компонент гексаборида

диффундирует в гексаборид и доходит до поверхности, по-видимому, в некоторых

случаях увеличивая эмиссию. С этим эффектом связаны работы по применению тонких

пленок (чтобы диффузия лантана шла активнее) на металлических (не защищенных от

взаимодействия с гексаборидом) подложках. Такие катоды могут эксплуатироваться

только при относительно низких (для этого класса катодов) температурах, иначе

срок службы получается мал. В стандартной ситуации, когда взаимодействие

гексаборида с металлом надо затормозить, применяются переходные слои из

карбидов и боридов. Поскольку надо обеспечить не только малое взаимодействие и

диффузию, но и хорошую адгезию и прочность, причем при многократном

термоциклировании до 1600-1700?С (с точки зрения общетехнической - требования

очень жесткие), разработка такого многослойного (до 5-7 слоев) защитного

покрытия является сложной задачей.

>Заметим,

что механизм влияния избыточного металла (в тонкопленочных катодах) на эмиссию

до сих пор не ясен. Одна из возможностей - образование за счет остаточной

атмосферы в приборе избыточного металла слоя окисла, обладающего большей

эмиссией, чем гексаборид. Гипотеза эта подкрепляется данными об увеличении

эмиссии гексаборидного катода при увеличении давления кислорода, правда, лишь

двукратном и в узком диапазоне давлений кислорода.

>Эмитирующая

поверхность гексаборидного катода складывается из участков разных граней

монокристалла; и разные грани имеют разную эмиссию. Исследования показали, что

наибольшую эмиссию имеют высокоиндексные грани, однако они неустойчивы при

нагреве и при обычных температурах катода за сотни часов претерпевают (за счет

испарения и миграции) переогранку в низкоиндексные и низкоэмиссионные грани.

Тем не менее монокристаллические катоды успешно применяются, при этом

технически освоено изготовление монокристаллов диаметром до 8-10 мм, поэтому

катоды больших размеров могут быть только "наборными" из отдельных

эмиттеров, вмонтированных в керн - например, графитовый.

>Разная

эмиссия разных граней гексаборидов связана с расположением последних слоев

ионов лантаноидов и групп ионов бора. Высокая эмиссия свойственна граням, у

которых ионы лантаноидов выдаются вперед (группы ионов бора меньше и

расположены в "зазорах" между ионами лантанидов). У таких граней при

анализе будет фиксироваться на поверхности лантаноид, что в течение ряда лет

служило основанием для гипотез о наличии на поверхности избытка металла.

>Важный

вопрос физики гексаборидов - гексаборид какого именно металла или металлов

использовать. Если среди индивидуальных гексаборидов монопольно применяется

гексаборид лантана, то для смешанных гексаборидов ситуация совершенно неясна.

Исследован ряд систем смешанных гексаборидов, как содержащих, так и не

содержащих лантан. Некоторые из смешанных гексаборидов имеют эмиссию больше,

чем гексаборид лантана, но нет данных по их испарению и сроку службы, а без

этого решение об их применимости принять трудно. Если рассуждать по аналогии с

оксидным катодом, то выигрыш может быть получен весьма значительный. Заметим,

что среди гексаборидов есть и такие, сопротивление коих больше сопротивления

LaB₆ в десятки раз.

>Так же

как и для других катодов, для катодов на основе гексаборидов важен вопрос о

добавках к основному веществу. В качестве добавок к гексабориду лантана

применялись прежде всего металлы. Согласно некоторым данным такие добавки

увеличивали эмиссию, согласно другим - уменьшали ее. По-видимому, это было

связано с условиями эксплуатации. Если условия были таковы, что избыточный

лантан увеличивал эмиссию, то и добавка металла увеличивала эмиссию на

некоторое время, до окончания реакции между металлом и гексаборидом. В

дальнейшем, если условия эксплуатации сохранялись, такой катод мог давать

эмиссию меньше стандартной, ибо поток лантана уменьшался. Этим могло быть

вызвано расхождение результатов.

>Заметим,

что одним из мотивов добавления металлов к лантану был мотив технологический.

Порошок LaB₆ плохо спекается, как всякий тугоплавкий материал с

малой скоростью испарения. Поэтому для облегчения спекания эмиттеров из порошка

LaB₆ (напомним, что выращивание кристаллов диаметром более 8-10 мм

не освоено, а спеканием серийно производились катоды диаметром до 50 мм) к

порошку LaB₆ добавлялся порошок металла. Такой прием вообще часто

применяется в технике, и добавляемое вещество называется активатором спекания.

>Кроме

того, известны попытки добавления к LaB₆ неметаллических добавок,

например, ZrBa или В₄С. Поиск в

этом направлении был вызван потребностью в увеличении термопрочности LaB₆.

Дело в том, что катод большого диаметра трудно нагреть так, чтобы в процессе и

нагрева и остывания он был нагрет равномерно. А при неравномерном нагреве

возникают усилия, которые могут разрушить катод. Было высказано предположение,

что некоторые добавки, в первую очередь, образующие в массе LaB₆

тонкие прочные нити, могут увеличить его прочность и термопрочность. Однако

оценочные измерения показали, что этого не произошло. Впрочем, добавка lang=EN-US >ZrB_>2 >,

видимо, увеличила стойкость к отравлению (способность работать в плохих

условиях) в области низких (для LaB₆) температур, т.е. 1400-1500?С.

Это может быть связано как со взаимодействием с LaB₆, так и с

увеличением коэффициента диффузии избыточного >La > в LaB₆

при добавлении нитей ZrB_>2 >. Во

втором случае эффект будет кратковременным. Этот круг вопросов исследован

недостаточно.

>Катод

из LaB₆ традиционно применяется в плохих вакуумных условиях, в

первую очередь, не в электронных лампах (где известны лишь единичные

применения), а в технологических и экспериментальных установках - вакуумных

печах с плавкой электронным пучком, вакуумных сварочных установках со сваркой

электронным лучом, ускорителях и т.д. Во всех этих установках катод

подвергается двум типам воздействий - остаточных газов и напылений на катод.

>Напылениями

принято называть попадание на катод веществ, при нормальных условиях являющихся

твердыми веществами, чаще всего - металлов. Понятно, что, попадая на

поверхность катода, они изменяют работу выхода. Беда в том, что тугоплавкие

металлы, остающиеся на какое-то время на поверхности, имеют большую работу

выхода, а металлы, имеющие низкую работу выхода, на поверхности не держатся -

они с нее испаряются. Ситуация осложняется тем, что металлы могут не только

испаряться, но и мигрировать и взаимодействовать с гексаборидом. Ситуация

сложна и слабо исследована. Например, некоторые считают, что для LaB₆-катода

особенно вредно напыление нержавеющей стали (по-видимому, в основном никеля),

хотя компоненты нержавеющей стали имеют довольно высокую скорость испарения.

Другие считают, что особенно вреден молибден, что выглядит более обоснованным,

но существование такого мнения может быть связано с тем, что вольфрам

напыляется на LaB₆-катод редко. С другой стороны, известно, что

вреден титан, который имеет довольно высокую скорость испарения. Возможно, это

связано с образованием слоя TiB_>2 > из

титана и LaB₆; лантан испаряется, >a lang=EN-US >

TiB₂ - тугоплавкое,

малоиспаряющееся и малоэмитирующее покрытие.

>Ситуация

с пленками на катодах вообще изучена крайне слабо, данные можно буквально

пересчитать по пальцам, а систематических исследований (группа металлов или/и

группа катодов в контролируемых условиях, когда известны температура катода и

толщина напыленного слоя или скорость напыления) нет. Известны, например,

данные, по которым эмиссия оксидного катода улучшается при напылении очень

тонких (порядка десятков и сотен ангстрем) пленок благородных металлов.

>Напылением

на многие катоды пленок металлов можно в некоторых условиях создать катод с

новой эмитирующей структурой и, быть может, лучшей эмиссией. Например, вполне

возможно напыление на LaB₆-катод пленки иридия. Тогда лантан,

диффундирующий через иридий, даст монослой на иридии, создав эмитирующую

структуру IrLa-катода, с большей эмиссией, нежели LaB₆-катод.

Конечно, при этом остаются проблемы взаимодействия иридия с LaB₆,

скорости диффузии лантана, "стока" для бора и т.д. Заметим, что

эффект напыления платины на оксидный катод так же объяснить нельзя.

>Особым

вопросом для LaB₆-катода является поведение пленки углерода.

Известны работы, в которых утверждается, что углеродная пленка подавляет

эмиссию LaB₆-катода, известны и прямо противоположные утверждения.

Теоретические расчеты показывают (хотя они не очень надежны), что нельзя

подобрать вакуумные условия, при которых углеродная пленка будет очищаться и

катод станет эмитировать (при ситуациях, когда углерод будет удаляться, LaB₆-катод

будет отравляться). Известно, что LaB₆-катод прекрасно работает с

углеродным подогревателем, углеродной сеткой и если в узле применены детали из

углерода. Вместе с тем композит LaB₆+С не является хорошим катодом.

Возможно, разгадка в том, что углерод мигрирует, диффундирует по поверхности

LaB₆ на относительно малое (например, 0,05 мм) расстояние, что

незаметно при габаритах катода более 1 мм и заметно, если смешаны порошки LaB₆

и углерода с частицами размером не менее 0,01 мм.

>LaB₆-катод

известен своей устойчивостью к воздействию газов остаточной атмосферы. Следует

отметить, что такое мнение сложилось в определенной мере просто потому, что

оксидный катод был изобретен раньше, к моменту изобретения LaB₆-катода

для оксидного катода уже сложилась основная область применения в электронных

лампах при 700-800?С, а при этих температурах он действительно не переносит

плохого вакуума. Идея же нагреть оксидный катод до 1000-1100?С мало кому

приходила в голову, хотя в технологических установках при таких температурах

его иногда эксплуатировали и успешно (со сроком службы - 1 смена). При таких

температурах оксидный катод может конкурировать с гексаборидом по устойчивости

к отравлению. Тем не менее, как уже отмечалось выше, LaB₆-катод

более устойчив к плохому вакууму, хотя эта разница не столь велика, как кажется.

>Технологических

вариантов у LaB₆-катода немного. Практически маленькие (до 8 мм)

катоды можно вырезать из монокристалла, большие - обычно получают либо горячим

прессованием из порошка в углеродных формах или/и спеканием, LaB₆-покрытия

на подложках - спеканием. Во всех случаях важным является содержание примесей.

Например, примесь углерода может дать после первого нагрева lang=EN-US >La_>2 lang=EN-US >C >, а lang=EN-US >La_>2 lang=EN-US >C lang=EN-US >

- >

гидратироваться на воздухе с выделением Н₂ >C_>2 > и

разрушением катода. Считается, что прессовка катода из порошка, очищенного

кислотой от оксидов, увеличивает эмиссию. Данных о влиянии малых примесей на

LaB₆-катод мало, получены они в недостаточно определенных условиях,

и сопоставлять их трудно. В целом понятно, что примесь, если только она

испаряется, инертна к LaB₆ и сегрегируется на поверхности, не должна

заметно влиять на параметры LaB₆-катода после надлежащего отжига.

Поэтому при исследовании влияния примеси на катод серьезное внимание должно

уделяться состоянию поверхности после отжига.

>Параметры

и применение LaB₆-катодов

>Токоотбор

при 1400-1500-1600-1700?С составляет для катодов максимум 1-3-10-30 А/см²

соответственно. Минимальные значения, полученные в исследованиях, примерно в 2

раза меньше, а реально применяемые в приборах - еще раза в 2-3 меньше. Это

связано как с необходимостью иметь в приборах запас эмиссии для увеличения

стабильности, так и с условиями работы катода в приборе. Хотя традиционно

считается, что гексаборидный катод устойчивее других катодов к воздействию

остаточной атмосферы и напылений, но при низких температурах и он достаточно

чувствителен к отравлению. Просто в области малого токоотбора и,

соответственно, малых температур LaB₆-катод не применялся.

>Срок

службы катодов обычно определяется разрушением контактов между LaB₆

и держателем. В качестве держателя чаще всего применяют тантал и графит;

предлагались также рений, карбиды, бориды, нитриды, даже оксиды (те, которые

при рабочей температуре имеют достаточную проводимость). Достигнутый срок

службы - 1000 ч при 1600?С, 200 ч при 1700?С, 30 ч при 2000?С. Скорость

испарения при 1500-1700-2000?С составляет соответственно 3^.10^-10-3^.10^-8

-3^.10^-5 г/см^2.с. В области обычных рабочих

температур 1500-1700?С, при парциальном давлении кислорода выше 3^.10^-6-10^-4

Па скорость испарения увеличивается за счет окисления и испарения оксидов

лантана и бора.

>Как и

для других катодов, для увеличения эмиссии предлагались добавки разных металлов

(активаторов), вступающих во взаимодействие с LaB₆, в результате

которого выделяется лантан. Считалось, что LaB₆-катод -пленочный, и

поток лантана на поверхность будет увеличивать либо эмиссию, либо стойкость к

отравлению. Но LaB₆-катод не пленочный в узком смысле слова, лантан

на поверхности - это не сверхстехиометрический лантан, а

"собственный", и разложение LaB₆ уменьшает срок службы. В

некоторых случаях, однако, поток лантана на поверхность может вызвать

образование La₂O₃с увеличением эмиссии примерно в 2

раза. Эффект наблюдается в узком диапазоне давлений кислорода.

>Как и

для других катодов, для LaB₆-катодов предлагались различные

смешанные бориды, как с элементами II, так и III группы. Твердые растворы

(LaВа)В₆ и (LaВаSr)В₆ действительно имеют большую

эмиссию, возможно, из-за образования на поверхности катода ВаО и lang=EN-US >SrO >.

Твердые растворы (LaPr) >B_>6 >и ( lang=EN-US >LaNd >)B₆

имеют немного большую, чем LaB₆, эмиссию, но неизвестны ни

испарение, ни срок службы этих катодов.

>В

технике LaB₆-катода есть также направление пленочных катодов с

покрытием LaB₆ пленкой толщиной порядка 1 мкм. Такие катоды могут

эксплуатироваться только при низких температурах, чтобы срок службы был не

слишком мал. Взаимодействие LaB₆ с подложкой и больший поток лантана

через тонкую пленку LaB₆ влечет за собой образование lang=EN-US >La_>2 lang=EN-US >O_>3 > на

поверхности. Эти катоды имеют и ряд других особенностей в поведении

(зависимость свойств от напряженности электрического поля и т.д.). Практическое

применение из семейства LaB₆-катодов получил только собственно LaB₆-катод.

Однако другие типы катодов этой группы исследованы недостаточно, и нет

оснований считать, что не будет найден катод с лучшими параметрами. Наиболее

вероятно это среди смешанных боридов РЗМ.

>LaB₆-катоды

применяются почти исключительно в технологических (сварочные пушки, плавильные

печи и т.д.) и экспериментальных (ускорители, электронные микроскопы и т.д.)

установках. Известны единичные примеры применения LaB₆-катодов в

приборах.

>LaB₆-катод

отличается, с точки зрения разработчика, от ОК и >WBa >-катода

тем, что проблема подогревателя для него оказывается не проще проблемы

эмиттера, ибо рабочая температура велика. Вдобавок надо обеспечивать ее

однородность как в работе, так и в процессе нагрева, ибо вариация температуры

вызывает механические напряжения в LaB₆ и катод растрескивается.

>Вопросы

к разделу 4.3

>1. >

Почему, с точки зрения конструкторов, плохо, что у боридов низкое

сопротивление?

>2. > Почему

контакт гексаборида с другим веществом становится проблемой, только если он

находится в горячей зоне?

>3. > Что

мешает техническому использованию эффекта увеличения эмиссии при окислении LaB₆-катода?

>4. > В

тексте употреблена фраза "порошок плохо спекается, как всякий тугоплавкий

металл с малой скоростью испарения". Разъясните эту фразу. Какие еще

механизмы спекания вы знаете? Как они связаны?

>5. >

Оцените перепад температур на пластине из LaB₆ толщиной 5 мм,

диаметром 50 мм, при температуре 1650?С, плотности излучаемой мощности 70 Вт/см²

и теплопроводности 10 Вт/мК. Какие еще три величины вам нужны, чтобы

определить, разрушится катод или нет? Можете ли вы, не зная этих величин, хотя

бы грубо оценить допустимость перепада температур?

>6. > Почему

в технологической установке появляются металлы в паровой фазе? А в ускорителе?

А в электронном приборе?

>7. > Почему

рост эмиссии оксидного катода при напылении на него платины (если это вообще не

артефакт) нельзя объяснить возникновением структуры "монослой бария на

платине"? Что такое "артефакт"?

>8. > Почему

в вакууме структура нагреваемого объекта не может быть равновесной ?

>9. >

Опишите упомянутые в этом разделе катоды по схеме, приведенной в начале

пособия.

>10 >.

Назовите основные параметры катодов.

>11. >Назовите

основные области применения катодов.

>4.4. >

Карбидные катоды

>Карбидные

катоды появились позже гексаборидных, они имеют большую работу выхода,

следовательно, большую рабочую температуру. Учитывая, что высокая рабочая

температура гексаборидных катодов является их самым главным недостатком, а

особых преимуществ карбидные катоды перед гексаборидными не имеют, доведение их

до промышленного применения представляется сомнительным.

>К

настоящему моменту карбиды исследованы слабо. В частности, плохо изучена их

эмиссия. Разброс данных по работе выхода достигает 1 эВ; по мнению некоторых

авторов, это связано с медленной очисткой карбидов от примесей при нагреве в

вакууме. Кроме того, это может объясняться медленным установлением

квазиравновесной структуры (истинно равновесной в вакууме не может быть).

Попытки применения смешанных карбидов неизвестны. Ряд работ посвящен композитам

тугоплавкий металл-карбид. У такого катода после некоторого времени работы на

поверхности образуется слой, обедненный карбидом и состоящий из тугоплавкого

металла. Компоненты карбида (металл и углерод) диффундируют через этот слой,

образуют на поверхности композицию; содержащую оба металла, углерод и,

возможно, загрязнения. Эта композиция и является эмитирующей структурой, но

характер структуры пока не выяснен. Основные технологические вопросы в этом

случае: 1) какой использовать карбид; 2) какой использовать второй металл

(тугоплавкий металл); 3) какое использовать их соотношение.

>Выбор

карбида в случае чисто карбидного (без второго металла) катода делается в

зависимости от максимального срока службы при температуре, достаточной для

получения заданной эмиссии. При наличии второго металла дело осложняется, ибо

нет никакой гарантии, что соотношение эмиссии к испарения сохранится. Следует

ясно понимать, что при увеличении концентрации металла в карбидном катоде в

какой-то момент изменяется эмиссионная структура. Возможна, впрочем, ситуация,

когда в катоде сосуществуют обе структуры.

>В любом

случае ясно, что увеличение концентрации тугоплавкого металла уменьшает

испарение и срок службы катода. По-видимому, должна иметь большое значение и

структура металлического слоя на поверхности, как в IrLa-катоде.

>Когда

были созданы углеродные нагреватели, технологичные и долговечные, казалось,

проблема нагрева карбидных катодов стала намного проще, тем более, что

карбидное покрытие можно наносить прямо на поверхность углеродного нагревателя.

Процесс этот, по крайней мере для некоторых металлов, освоен, и покрытие

получается прочное при термоциклах. Однако в этом случае углерод будет

диффундировать в слой карбида, и получившаяся структура с избытком углерода

будет иметь низкую эмиссию. Практически к настоящему моменту можно считать, что

карбидные катоды могут эффективно применяться в двух случаях - когда по

каким-то причинам фиксирован материал (карбид металлов IV, V групп) и надо с

деталей из этого материала получить термоэмиссию и когда по каким-то причинам

фиксирована температура и надо от деталей, работающих при этой температуре,

получить эмиссию (и температура слишком велика для гексаборидов, но мала для

тугоплавких металлов). Такие ситуации в технике встречаются, хотя они и

довольно редки.

>Параметры

и применение карбидных катодов

>Карбидные

катоды исследованы к настоящему моменту слабо. Наибольшую эмиссию имеет, скорее

всего, NbC - при 1800-2000?С 1-10 А/см²

соответственно. Эмиссия ТаС и ZrC > меньше

в 2, a >TiC > - еще

в 2 раза. Наименьшее испарение имеет ТаС, при этих же температурах потоки

испарения составляют 5^.10^-11-5^.10^-10

г/см^2.с, NbC и HfC >

испаряются на порядок быстрее, ZrC - еще быстрее на порядок, TiC - еще на 1-2

порядка. Надежность этих данных невысока, т.к. карбиды трудно очистить

прогревом в вакууме. Предпринимались попытки увеличения эмиссии карбидов путем

добавления тугоплавких металлов или покрытия пленкой металлов. Для катода

ZrC+пленка осмия получен срок службы 250 ч при 1630?С и токоотборе 1 А/см²,

для катода ZrC+ >W >, lang=EN-US >Mo >

получен срок службы 1000 ч при 2030?С и токоотборе 8 А/см² и 9000 ч

при 1830?С и токоотборе 1 А/см². Практического применения такие катоды

не нашли ввиду высокой рабочей температуры.

>Исследовались

и другие высокотемпературные катоды (MoSi₂+Y₂O₃,

ZrN, ZrN >+ lang=EN-US >Cs >, lang=EN-US >TaCTh > и

др.), но данных по ним мало и практического применения они пока не получили.

>Вопросы

к разделу 4.4

>1. >

Опишите упомянутые в этом разделе катоды по схеме, приведенной в начале

пособия.

>2. >

Назовите основные параметры катодов.

>3. >

Назовите основные области применения катодов

>5. >

Низкотемпературные катоды

>5.1. >

Оксидные катоды

>Оксидными

называют катоды на основе оксидов элементов II группы, щелочноземельных

металлов (ЩЗМ).

>Оксидный

катод - это слой кристаллов тройного или (реже) двойного оксида на

металлической подложке - керне. Слой имеет толщину от 1 до 100 мкм, размер

кристаллов - от 0,1 до 10 мкм. С обратной стороны керна (если это катод

косвенного накала) расположен нагреватель. Оксиды на воздухе гидратируются.

Поэтому просто взять кристаллы оксида, насыпать тонким слоем и как-то их

соединить (склеить, спечь) можно только в инертной среде или вакууме. Поэтому

был избран другой, технологически более простой путь. Стали наносить слой

кристаллов какого-то легко разлагающегося до оксидов с выделением только газов

соединения (карбоната, гидроксида) с некоторой добавкой клеящего вещества,

скрепляющего кристаллы. Потом этот полуфабрикат помещали в прибор и нагревали.

Соединение разлагается, газообразные продукты откачиваются, клей испаряется

либо разлагается и откачивается, а кристаллы слегка спекаются, т.е.

диффундируют друг в друга в местах контактов.

>Много

десятилетий потрачено на поиск оптимальных размеров кристаллов, толщины и

плотности покрытия, состава соединения щелочноземельных металлов, вида клея,

режима нагрева и откачки (скорость нагрева, давление остаточных газов).

Достигнутые в итоге оптимальные характеристики примерно таковы: толщина слоя

20-30 мкм, размер кристаллов 2-3 мкм, состав - твердый раствор тройного оксида lang=EN-US >BaO >- lang=EN-US >SrO >-СаО

(бария и стронция примерно поровну, кальция - единицы процентов), клей - полибутилметакрилат.

Металлический керн, как правило, изготовлен из никеля с присадкой (порядка

сотых или десятых долей процента) активатора, чаще всего - кальция, магния,

иногда - кремния. Выбор металла керна, вида и количества присадки также длился

десятилетиями и ему были посвящены сотни работ. Влияние всех параметров на

работу катода рассмотрено ниже.

>Таким

образом, основные усилия исследователей были направлены на уменьшение работы

выхода (увеличение эмиссии), уменьшение сопротивления и уменьшение испарения

(что увеличивает срок службы). Попытки увеличения эмиссии делались в

направлении изменения состава покрытия и создания в катоде неравновесных

структур. Например, такие структуры создавались облучением катода, при этом

накапливались дефекты и уменьшалась работа выхода. Но при нагреве катода

дефекты отжигались и катод возвращался к равновесной, насколько это возможно,

когда речь идет о вакууме, структуре. Изменения состава приводили к увеличению

эмиссии, но одновременно - к увеличению испарения. А меры, уменьшающие

испарение (например, уменьшение содержания бария), уменьшали и эмиссию, что

требовало увеличения температуры, значит, и увеличения испарения. При этом

картина затушевывалась сообщениями о том, что то или иное изменение увеличивало

эмиссию, но игнорировался тот факт, что увеличение происходило не по сравнению

с уже достигнутым максимальным значением, а по сравнению с неким исходным

значением, а это исходное значение эмиссии было обычно ниже максимально

достигнутого. Таким образом, велся поиск добавок к оксиду, увеличивающих

эмиссию, а надо было выяснить, откуда взялась вредная примесь, уменьшившая ее.

В итоге многолетних усилий стандартным принят состав >BaO >- lang=EN-US >SrO >- lang=EN-US >CaO >, как

правило, без добавок, с указанным соотношением бария, стронция и кальция.

Применяются в технике и другие составы, но выигрыш оказывается невелик, ибо

меньшее испарение сопровождается большей работой выхода, т.е. требуется

увеличить рабочую температуру.

>В

1980-е годы стало очевидно, что срок службы оксидного катода не просто

определяется температурой, но и зависит от эмиссионного тока, ибо ток вызывает

разогрев, а это увеличивает испарение и уменьшает срок службы. Для уменьшения

влияния тока на срок службы надо увеличивать проводимость. Для увеличения

проводимости катода естественно добавлять в оксидное покрытие металл. Металл

может вводиться в покрытие самыми разными способами - химическими,

газотранспортной реакцией, механически (смесь порошков), гальванически. В

результате увеличение содержания металла увеличивает проводимость и работу

выхода. По мере увеличения количества металла проводимость (а заодно и работа

выхода) растет. Добавляется обычно никель, концентрация более нескольких

процентов не используется по указанной причине. Заметим, что при увеличении

содержания металла в покрытии оксидный катод с добавкой металла превращается в

другой катод, имеющий свой механизм работы.

>Металл

может вводиться в покрытие не только в виде порошка из тех или иных частиц, но

и в виде неких "конструктивных" элементов. Это могут быть

металлическая сетка, фольга (или пленка) с отверстиями, проложенная или

напыленная в покрытии близко к поверхности и подводящая ток близко к

поверхности. Этот вариант распространения не получил. Другой вариант, тоже

достаточно редкий, это чередование напыленных слоев оксидных частиц и никеля,

причем, естественно, ток подводится близко к поверхности по металлическим

компонентам и лишь перед самой поверхностью переходит в оксид, чтобы с частиц

оксида, имеющих низкую работу выхода, электроны могли эмитироваться в вакуум.

>Выше

было упомянуто, что оксидный катод изготавливается не из оксидов, которые на

воздухе неустойчивы, а из карбонатов (показано, что целесообразно применение

гидрооксидов). При разложении карбонатов выделяется довольно много газа - около

1 Па^.м³ c 1см² покрытия. При откачке через

штенгель с пропускной способностью около 10^-3 м³/с и

временем откачки для прибора с катодом в 1 см² 10⁴ с

давление в лампе составляет 10^-1Па. Это довольно значительная

концентрация газа, которая, в частности, может повлечь за собой окисление

деталей ЭВП. Поэтому проблема преобразования карбонатов в оксиды в процессе

разложения достаточно сложна.

>Низкой

работой выхода обладает, по-видимому, структура ВаО на решетке двойного оксида lang=EN-US >SrO >- lang=EN-US >CaO >. В

значительном количестве исследований сделаны попытки расчета работы выхода ни

проводимости оксидов, однако до решения вопроса довольно далеко. Наиболее

быстро из оксидного катода испаряется ВаО. На поверхности каждого кристалла

образуется слой SrO- >CaO >. Через

этот слой диффундирует барий из сердцевины кристаллов, встраивается в

поверхностный слой и образует эмитирующую структуру с низкой работой выхода.

Если поток диффузии превышает собственное испарение эмитирующей структуры, то

избыточный барий испаряется, а если потока диффузии не хватает, то поверхность

обедняется барием и работа выхода растет.

>Заметим,

что наличие в активированном оксиде ЩЗМ сверхстехиометрического бария (дефицит

кислорода), не является очевидным. Низкая работа выхода и высокая поверхностная

проводимость могут быть следствием замены в самом верхнем монослое оксида

стронция и кальция на барий. При этом ионы бария, имеющие больший диаметр, чем

ионы стронция и кальция и намного больший, чем кислорода, выдвинуты в сторону

вакуума, и создается впечатление избытка бария.

>Такая

модель объясняет экспериментальные данные, которые мы сейчас перечислим.

Зависимость параметров от толщины: уменьшение толщины позволяет увеличить

токоотбор, т.к. уменьшается сопротивление, но при этом уменьшается также срок

службы. Уменьшение плотности уменьшает срок службы и слабо влияет на

проводимость. Уменьшение размера кристаллов слабо влияет на проводимость (но

оно очевидно необходимо для получения тонких покрытий). Поэтому общая линия

развития катода была такой - уменьшение толщины оксидного покрытия (для

увеличения токоотбора) при увеличении его плотности (для сохранения срока

службы) и уменьшении размера кристаллов (для уменьшения толщины). Заметим, что

проводимость оксидного покрытия описывается достаточно сложной физической

моделью - ведь есть поверхностная проводимость, есть (пренебрежимо малая)

объемная и есть проводимость по электронному газу в порах покрытия.

Сравнительно недавно, в 1980-х годах, была установлена зависимость проводимости

оксидного покрытия от температуры, тока и параметров покрытия.

>Множество

работ было связано с "активаторами" - присадками к керну (реже - к

оксиду), восстанавливающими BaO >- lang=EN-US >SrO >- lang=EN-US >CaO > до

металла. Активная присадка в высокой концентрации увеличивает испарение и

уменьшает срок службы катода. Однако сложилось мнение, что совсем без

активатора катоды не работают. Поэтому множество работ было посвящено выбору

вида активатора (элемента, его соединения), способу введения и геометрии

расположения его в керне (сплав, отдельные частицы, равномерно или неравномерно

по глубине) и концентрации. Одновременно выполнялись работы, свидетельствующие

о том, что оксидный катод в достаточно высоком вакууме может работать и без

активатора - на керне, не содержащем заметных примесей, и вообще очень

пассивном, например - из особо чистой платины.

>Итак,

по сложившемуся представлению, активатор может ускорять процесс активирования

катода путем удаления из него части кислорода (активный катод с минимальной

работой выхода содержит небольшой дефицит кислорода) и в дальнейшем, если катод

работает в плохом вакууме, активатор необходим, чтобы связывать кислород, попадающий

в покрытие из остаточных газов. При этом оксиды элемента-активатора

накапливаются на границе керн-оксид и образуют высокоомную прослойку. Поэтому

очевидно лучшие активаторы - барий и стронций. Однако их применение не получило

широкого распространения ввиду технологических проблем. Наиболее широко в

настоящее время применяются кремний (когда-то применявшийся почти монопольно),

магний и кальций.

>Чем на

больший срок службы мы рассчитываем, тем лучше должен быть вакуум, тем меньше

должна быть концентрация активатора. Другое средство борьбы с захватом

кислорода и "отравлением"- подъем температуры, при этом испарение

кислорода, "активирование", ускоряется. Поэтому с улучшением вакуума

можно уменьшать рабочую температуру, что также увеличивает срок службы. Возможно,

что именно с применением кремния в качестве активатора, вернее - с вредными

последствиями такого применения связана отмеченная недавно эффективность

добавки оксида скандия в покрытие катода. Есть данные, что скандий образует с

кремнием и кислородом соединения без высокоомных прослоек. Однако это еще

требует уточнения.

>Для

иллюстрации сложности катодной техники упомянем о случае, когда высокоомная

прослойка с кремнием, ухудшавшая параметры катода, была обнаружена в катоде,

керн которого не содержал кремния и более того, выпускался с хорошими

параметрами много лет. Исследование показало, что кремний попадал из

подогревателя. Но в подогревателе нет кремния - это вольфрамовая проволока,

покрытая алундом (оксидом алюминия). Однако алунд спекается при высокой

температуре, и для уменьшения температуры спекания (и экономии электроэнергии)

к нему добавляли оксид кремния. Он испарялся из подогревателя, оседал на керн,

кремний диффундировал через керн и взаимодействовал с покрытием. Почему же это

не происходило раньше? Потому что коэффициент диффузии в никеле зависит от

наличия дефектов. Раньше, когда выдавливали из листа никелевый колпачок - керн,

это делали с промежуточным отжигом, при этом дефекты частично отжигались,

восстанавливалась равновесная структура металла. Позже, для экономии

электроэнергии промежуточный отжиг был исключен, дефектов стало больше, кремний

стал проникать сквозь керн.

>В

физике и технике оксидного катода, как и других катодов, есть много нерешенных

задач. Например, до сих пор неизвестно, почему срок службы оксидного катода с

малой площадью меньше, чем с большой. Задача не решена, хотя попытки ее решить

предпринимались.

>Параметры

оксидных катодов, как и катодов вообще, зависят от условий их применения. Общая

последовательность причин и следствий такова - для поддержания высокой эмиссии

нужны определенные состав и структура поверхности, они изменяются в плохом

вакууме или при попадании на катод каких-либо веществ из прибора. Для защиты от

таких влияний увеличивают температуру катода (примеси быстрее удаляются), но

при этом сокращается срок службы. Поэтому общая тенденция в развитии оксидных

(да и других) катодов - понижение рабочей температуры и увеличение срока

службы. Параллельно идет улучшение вакуумных условий в приборах.

>Прогресс

в увеличении эмиссии носит иной характер. Поскольку в "частично

отравленном" режиме, как правило, не работают, то улучшение вакуума в

приборах на эмиссию само по себе не влияет. Конечно, в технике каждого катода

идет поиск более эмиссионно-активных модификаций, и иногда они находятся. Можно

сказать, что в этом случае создается подкласс катодов. В истории оксидного

катода была эпоха выбора оптимального состава оксида с целью минимизации работы

выхода и эпоха поиска добавок к этому оксиду. Состав оксида стабилизировался

сравнительно давно. Поиск оптимальных добавок к успеху не привел, хотя работу

выхода чистых оксидов (ВаО) и удается понизить добавкой, например, неодима.

>Известно

несколько экзотических попыток изменения катода, например, напылением на него

несплошной металлической пленки или навивкой проволоки. Эти изменения переводят

оксидный в другой катод - катод, в котором эмитирующая структура существует не

изначально, а образуется при попадании на подложку для эмитирующей структуры

компонентов активного вещества, в данном случае ВаО- >SrO >- lang=EN-US >CaO >.

>Много

работ посвящено изменению толщины оксидного покрытия, его плотности и

распределения бария в покрытии (больше во внутренних слоях) с целью увеличения

срока службы. Сложившееся к настоящему времени состояние в технике оксидного

катода было достигнуто в 1980-х годах. Последние серьезные попытки улучшения

связаны с введением в покрытие мелкодисперсного металла для увеличения

проводимости и уменьшения разогрева покрытия протекающим по нему током.

Предельный срок службы таких катодов действительно оказался немного больше,

однако не настолько, чтобы они вытеснили обычные оксидные катоды. Возможно,

сказалось и то, что оксидные катоды - это традиционно катоды массового

применения (кинескопы, приемно-усилительные лампы), где важна дешевизна. Как

только мы начинаем усложнять и удорожать оксидный катод, возникает вопрос - а

почему не применить импрегнированный катод?

>Достижение

установившегося состояния ускорило то, что многие параметры оксидного катода

оказались взаимосвязаны. Например, увеличивая (ради увеличения срока службы)

толщину или плотность покрытия, мы можем уменьшить проводимость в области

рабочих температур. Значительное количество работ было посвящено выбору

активаторов - веществ, ускоряющих разложение ВаО и поддерживающих оптимальную

концентрацию избыточного бария в покрытии. Позже стало ясно, что большой поток

бария необходим при работе в плохом вакууме и что в этом случае неминуемо

сокращение срока службы. Поэтому в целом эволюция шла в сторону уменьшения

концентрации активаторов и сужения диапазона этих концентраций.

>Параметры

и применение оксидных катодов

>1. >

Зависимость импульсной эмиссии от температуры. В режиме коротких

(микросекундных) импульсов при 700-800-900?С рекордные значения эмиссии

составляют около 3-30-100 А/см². Реально используемые в приборах

плотности тока меньше по крайней мере раза в два, во-первых, потому что в

реальных приборах должен быть запас эмиссии, чтобы токоотбор не изменялся при

колебаниях температуры катода, во-вторых, условия работы катода в реальных

приборах могут быть хуже за счет напылений на катод с прибора, инициируемых

токоотбором. По этой же причине с увеличением длины импульса достижимый

токоотбор уменьшается.

>2. >

Зависимость импульсной эмиссии от длины импульса. При длительностях импульса

1-10-100 мкс и 1-10-100 мс предельные токоотборы составляют соответственно

200-50-20-5-3-2 А/см². При этом скважности, к которым относятся эти

данные, составляют обычно 10³ для импульсов короче 30 мкс и 10-10²

- для импульсов длиннее 30 мкс. Данных о работе катодов в импульсном режиме

немного, но в целом видно, что чем длиннее импульсы, тем меньше предельный

токоотбор. Это связано как с вредным воздействием приборов на катоды, так и с

тепловыми эффектами в покрытии (разогрев при токопрохождении и эмиссионное

охлаждение). Подробнее со всеми этими вопросами (как и с данными по всем прочим

катодам) можно ознакомиться по указанным в библиографии обзорам и по указанной

в них литературе.

>3. >

Зависимость стационарного токоотбора от температуры. Увеличивая длину импульса

или уменьшая скважность, мы приходим к стационарному режиму. При температурах

600-700-800-900?С рекордные значения стационарного токоотбора составляют

0,15-1-3-5 А/см², реально используемые в приборах - меньше раза в

два по тем же причинам, что в п. 1

>4. > Связь

срока службы и токоотбора. В конечном итоге разработчика прибора обычно мало

интересует температура катода. Особых трудностей с разогревом оксидного катода

нет. В некоторых, довольно редких случаях, важно, чтобы он меньше излучал тепла

в объем прибора. Главное же - это значения токоотбора и срока службы. Срок

службы катода ограничивает срок службы прибора, а токоотбор ограничивает другие

параметры прибора - мощность, габариты, рабочую частоту и кпд. Пучок,

"берущий свое начало" на катоде с низкой плотностью тока, либо имеет

большое поперечное сечение, а прибор - большую длину волны, либо такой пучок

надо сильно обжимать, но при этом ухудшается ламинарность пучка, его труднее

затормозить на коллекторе, что уменьшает кпд.

>Уменьшение

срока службы при увеличении токоотбора связано с увеличением вредного влияния

прибора. В итоге при стационарном токоотборе 0,3-1-3 А/см² рекордные

значения срока службы составляют 200.000-20.000-5000 ч., а практически

достижимые величины - в несколько раз меньше.

>5. > Связь

срока службы и импульсного токоотбора. Данных по этой связи мало, как вообще

мало данных по работе оксидного катода в импульсном режиме. При скважностях

100-1000 и микросекундных импульсах, при токоотборе 3-10-30 А/см²

рекордно достижимые значения срока службы составляют 50.000-2.000-500 ч.

>Этим

списком исчерпываются токовые параметры катода. Однако часто бывают важны и

нетоковые параметры, а именно - скорость испарения, шумы, эмиссионная

неоднородность, тепловые (экономичность и время разогрева) параметры.

>6. >

Скорость испарения. Скорость испарения нужно учитывать потому, что продукты

испарения ограничивают срок службы, влияют на параметры прибора, увеличивая

токи утечки. Попадая на высоковольтные электроды, они уменьшают

электропрочность. Наконец, при попадании на электроды, лежащие напротив катода,

продукты испарения катода могут потом возвращаться на катод и

"отравлять" его (уменьшать эмиссию).

>Процесс

испарения оксидного катода может быть описан так. Во время работы поток

испарения убывает пропорционально времени в степени минус 1/2. Для катода на

нормальном активном керне после 100 ч. работы при 750-850?С поток испарения

составляет 10^-11-10^-10 г/см^2.с. На пассивном

керне поток меньше в 3 раза. В составе продуктов испарения катода на активном

керне - в основном барий и в небольших количествах - оксид бария, стронций и

кальций, на пассивном керне - в основном оксид бария, т.к. барий, стронций и

кальций - это продукты взаимодействия оксидов с активатором.

>К

сожалению, количественные значения испарения не очень информативны, ибо

последствия испарения зависят от состава продуктов испарения, от материала

электродов или изоляторов, на которые попадают эти продукты, и от температуры

этих электродов что изоляторов. Поэтому практически надо сравнивать работу

разных катодов (если стоит вопрос о выборе катода) в конкретном приборе. Если

же конструкция и технология прибора могут изменяться, то соответственно могут

быть подобраны материал (или покрытие) и в некоторых случаях - температура

электродов, подвергающихся напылению.

>Заметим,

что схема выбора конструкции электродов, их температуры и материалов довольно

сложна. Благоприятной является, например, ситуация, когда материал катода и

температура таковы, что напыляющиеся продукты растворяются в нем, не понижая

работу выхода электрона. Так действует золотое покрытие на сетках ламп,

содержащих оксидный катод или покрытие с цирконием на сетках мощных ламп,

содержащих WTh-катод. Другой вариант - поддержание температуры электрода такой,

чтобы продукты испарения на электроде не конденсировались.

>В целом

эта проблема весьма трудоемка для исследования ввиду многопараметричности

системы.

>7. > Шумы и

эмиссионная неоднородность.

>Всем

катодам свойственны шумы (временное непостоянство тока) и эмиссионная

неоднородность (пространственная неоднородность). Шумы принято делить на

фликкер-шумы, спектральная плотность которых увеличивается с уменьшением

частоты, и дробовые шумы. Вторые с катодом, собственно говоря, вообще не

связаны, а являются следствием дискретности заряда. Фликкер-шумы - это

колебания локальной эмиссионной способности катода, вызванные

физико-химическими процессами в нем - диффузией, испарением, миграцией - изменяющими

локальный поверхностный состав и, следовательно, работу выхода и сопротивление

катода. Фликкер-шумы влияют на шумы приемно-усилительных ламп и на

вольт-амперные характеристики.

>Эмиссионная

неоднородность катодов влияет и на высокочастотные шумы. Поскольку на них еще

влияет и шероховатость катодов, желательно, чтобы катоды были относительно

гладкими и эмиссионно-однородными.

>Заметим,

что от фликкер-шумов избавиться в принципе невозможно. Как дробовые шумы есть

следствие дискретности заряда, так и фликкер-шумы не могут быть меньше тех,

которые есть следствие дискретной природы вещества (диффузия, испарение

отдельных атомов и т.д.).

>8. >

Тепловые параметры и взаимодействие катода и прибора рассмотрены для всех

катодов в отдельном разделе.

>9. > Сферы

применения катодов. Сферы применения катодов формировались по мере их появления

и дальнейшего совершенствования. Техника инерционна и причина этой инерции (в

отличие от причины инерции в механике) проста. Например, первые катоды были из

вольфрамовой проволоки. Их усовершенствование привело к WTh-катодам, также

проволочным. Вся техника мощных ламп пошла по пути использования проволочных

катодов, и, когда позже возникла идея применения в лампах иных катодов, их

внедрение замедлялось тем, что их неудобно изготавливать в виде проволоки.

>Поэтому

область применения оксидного катода формировалась в результате конкуренции с

другими катодами. Оксидные катоды почти монопольно применялись в

приемно-усилительных лампах и кинескопах, в значительной мере - в СВЧ-приборах

(ЛБВ, клистронах), в случае, когда плотность тока, требуемая в данном приборе,

была не слишком высока. По мере продвижения приборов в область более высоких

частот и мощностей, а также по мере увеличения требований к приборам, все

большую часть катодов в СВЧ-приборах составляли импрегнированные ( lang=EN-US >WBa >)

катоды. В настоящее время оксидные катоды применяются почти во всех кинескопах

и во многих случаях - в СВЧ-приборах.

>Вопросы

к разделу 5.1

>1. > Есть

ли связь между указанными в начале раздела размерами кристаллов оксида и

толщиной покрытия?

>2. > Чем

вредно окислении деталей ЭВМ при откачке? Рассмотрите две ситуации - одну,

возникающую вследствие того, что пленка оксидов может быть изолятором, и

вторую, возникающую при разложении оксидов с выделением кислорода.

>3. >

Рассмотрите возможность разложения карбонатов (до оксидов) в отдельной

вакуумной камере, а потом - переноса через воздух оксидного катода в прибор.

Как можно защитить его от гидратации до Ва(ОН)₂^.5H₂O

(найдите 3 способа, оцените их техническую реализуемость)?

>4. >

Некоторые электронные лампы должны иметь расстояние от катода до сетки 10 мкм.

Как вы полагаете, какие ограничения это накладывает на толщину покрытия, размер

кристаллов и технологию изготовления катода?

>5. >

Вспомните из физики полупроводников - что такое поверхностная проводимость? Не

перепутайте прыжковую проводимость и проводимость по поверхностной зоне. Как вы

думаете, какая имеет место в оксидном катоде?

>6. > Почему

срок службы катодов с малой площадью эмитирующей поверхности меньше, чем с

большей?

>7. > Почему

лучшие активаторы - барий и стронций?

>8. >

Назовите основные параметры катода.

>9. >

Назовите основные области применения катода.

>5.2. >

Импрегнированные, диспенсерные, распределительные катоды, L-катоды, BN-катоды

>Каждый

катод по-своему уникален. Уникальность катодов этой группы состоит в том, что в

настоящее время это наиболее распространенные катоды как по объему применения,

так и по количеству выполняемых исследовательских работ. Преимущество перед

другими типами катодов по количеству исследований столь велико, что, похоже,

доминирующее применение катодов этой группы сохранится в ближайшее десятилетие.

>Причин

такого положения по крайней мере две. Одна - историческая. Приемно-усилительные

лампы возникли тогда, когда был известен только вольфрамовый катод. Позже

возник оксидный катод, его и абсорбировали лампы. Со временем почти все лампы (и

кинескопы) стали выполняться с оксидным катодом. Потом появились СВЧ-приборы, и

вскоре для них потребовалась большая плотность тока. Большую плотность тока

обеспечивали катоды группы, рассматриваемой в этом разделе. С другой стороны,

оксидные катоды были лучше отработаны, был накоплен богатый опыт их применения.

Поэтому история применения катодов в СВЧ ЭВП - это история соревнования

оксидных и импрегнированных катодов. Попутно возникавшие типы (например,

BN-катод) не выдерживали конкуренции. Со временем, когда приемно-усилительные

лампы почти повсеместно были заменены полупроводниковыми приборами, объем

применений и исследований оксидных катодов уменьшился. Однако оксидные катоды

по-прежнему доминируют в кинескопах. Это причина исторического характера.

>Техническая

же причина такова. Технология катодов, рассматриваемых в данном разделе, имеет

больше переменных параметров, такие катоды труднее разрабатывать, исследовать и

оптимизировать, с другой стороны, здесь можно добиться лучших результатов.

Поэтому катоды этой группы понемногу "завоевывают жизненное

пространство" - по мере роста требований к параметрам и

"примирения" техники с более сложной технологией.

>Катоды

этой группы состоят из металлической матрицы и активного вещества. Компоненты

активного вещества (иногда после реакции с активатором, а роль активатора может

играть и матрица) диффундируют к эмитирующей поверхности и образуют на ней

эмитирующую структуру. При этом диффузионным барьером может быть как матрица с

частично выработанным активным веществом, так и специально созданный элемент

катода.

>Чем

определится в такой ситуации основные параметры катода? Эмиссия - эмитирующей

структурой (ее эмиссией и долей поверхности катода, занятой ею), срок службы -

временем сохранения эмитирующей структуры (ее эмиссия и доля поверхности,

занятая ею, не выходят за некоторые пределы).

>Заметим,

что изготовителя приборов не интересуют эмитирующие структуры. Для него важно,

что ток катода при фиксированных напряжениях на электродах прибора изменяется

не более чем на заданную величину. При теоретической накальной характеристике

(сначала насыщение, а потом сразу же резко наступает пространственный заряд и

ток перестает меняться) достаточно выбрать начальную рабочую точку так, чтобы

неизбежные колебания температуры катода из-за колебаний мощности накала и

разброс накальных характеристик не вызывали брака.

>Но что

происходит при работе катода? Из-за уменьшения доли поверхности, занятой

эмитирующей структурой, накальная характеристика сдвигается понемногу вниз

(рис.3), из-за уменьшения эмиссии самой эмитирующей структуры - вправо, из-за

действия двух этих факторов - и вниз и вправо.

>Фактически

поверхность катода состоит не только из эмитирующих и неэмитирующих участков.

Реальная ситуация сложнее. Например, если подложка поликристаллическая, то на

поверхность могут выходить разные грани, а на них эмитирующая структура может

образовываться по-разному и иметь разную эмиссию.

>Кристаллы,

составляющие эмитирующую структуру, могут быть расположены разными гранями на

поверхности. Подложка и эмитирующая структура шероховаты, что тоже может влиять

на характеристики. Из-за всего этого у накальной характеристики нет резкого

перехода от насыщения к пространственному заряду. Вдобавок в реальных условиях

ситуация осложняется тем, что установление некоторых напряжений на электродах

прибора вовсе не означает наличия одинакового электрического поля на

поверхности нагретого катода. Например, в ЭВП СВЧ с цилиндрическим пучком

напряженность поля обычно больше на краях, а в кинескопах, где первый электрод

(модулятор) имеет отрицательный потенциал, а следующий (первый анод) -

положительный, наибольшее поле - в центре.

>Так или

иначе, эмиссия определяется эмитирующей структурой, а срок службы - сохранением

ее во времени. Поэтому основные направления работ по катодам этого типа таковы:

либо подбор веществ для организации наилучшей эмитирующей структуры, либо

оптимизация диффузионного барьера, матрицы, концентрации активного вещества,

вида и концентрации активатора для организации оптимального потока компонентов

эмитирующей структуры, в идеале - для организации оптимального и постоянного во

времени потока.

>Каковы

основные типы и, соответственно, названия этих катодов? Подавляющее большинство

катодов имеет матрицу из вольфрама, в порах которой располагается соединение

бария. Отсюда - объединяющее катоды этого типа название WBa-катоды

(вольфрам-бариевые катоды). Соединение бария вводится в матрицу пропиткой

матрицы расплавленным соединением

>Рис. 3.

Накальные характеристики катода (стрелкой показано перемещение рабочей точки) lang=EN-US >I_>к > - > ток

катода; W_н > - >

мощность накала:

>а) - от

кривой 1 к кривой 3 уменьшается доля эмитирующей поверхности. Δ lang=EN-US >W_>н > -

запас мощности на разброс значений;

>б) - от

кривой 1 к кривой 3 уменьшается эмиссия эмитирующей структуры,

>в) - от

кривой 1 к кривой 3 одновременно уменьшаются доля эмитирующей

>поверхности

и эмиссия;

>r >) - от

кривой 1 к кривой 3 одновременно уменьшаются доля эмитирующей

>поверхности

и эмиссия. Кривые сглажены из-за эмиссионной неоднородности

>катода

(реальная ситуация )

>бария.

Отсюда - название "импрегнированный"', в переводе с английского

"пропитанный". Однако нередко катод изготавливают прессованием смеси

вольфрама и соединения бария. Диффузант, принято считать, что это барий,

доходит до поверхности и распределяется по ней. Отсюда - название

"диспенсерный", в переводе с английского

"распределительный".

>Существует

вариант катода, когда матрица (губка) из вольфрама является только диффузионным

барьером, в ее порах активного вещества нет, а за ней находится герметически

закрытая с других сторон камера, наполненная соединением бария. В этом случае,

поскольку диффузионное сопротивление диффузионного барьера и скорость выделения

в камере почти постоянны, и поток бария оказывается почти постоянным. Почему

почти? Реакция между соединением бария и активатором замедляется из-за

накопления продуктов реакции и уменьшения содержания активного вещества и

активатора, а диффузионное сопротивление может увеличиваться из-за спекания

вольфрамовой губки, сопровождающего работу катода, точнее его пребывание в

нагретом состоянии. Заметим, что спекание губки уменьшает и срок службы

обычного WBa-катода, в котором запас активного вещества размещен в порах

матрицы - будущего диффузионного барьера.

>Вариации

состава губки в системе вольфрам-рений-молибден к успеху не привели и

по-прежнему применялся вольфрам.

>В

дальнейшем было установлено, что эмиссия WBa-катода существенно улучшается при

нанесении на него тонкой (единицы мкм) пленки осмия или сплава осмий-рутений,

что более удобно технологически. Правда, и в этом случае мы изменяем химический

состав подложки для эмитирующей структуры и увеличиваем диффузионное

сопротивление, закупоривая часть пор губки. Срок службы WBaOs-катода

ограничивался растворением осмия в вольфраме. Естественным выходом из положения

оказалось изготовление губки из смеси W > и lang=EN-US >Os >; при

достаточной концентрации осмия в губке его уход из пленки в глубину губки

замедляется и срок службы возрастает.

>В

качестве активного вещества в WBa-катоде применяются сплавы оксидов ВаО, СаО, А lang=EN-US >l_>2 >О₃,

WO₃ в различных соотношениях

(барий-кальциевый алюминат или вольфрамат), В результате изменения состава

изменяются эмиссия и поток испарения, а значит, и срок службы, и устойчивость к

отравлению. Кроме того, разные соединения этой системы имеют разную технологичность,

например, некоторые гидратируются при хранении. В прессованных катодах чаще

применяется вместо барий-кальциевого алюмината барий-кальциевый вольфрамат.

>Известны

также попытки заменить кальций на стронций. Однако работ по WBa-катоду с таким

активным веществом немного, и вопрос остается неясным; тем более, что при

разных составах губки, разных пленках могут оказаться наиболее эффективными

разные составы активного вещества. Такова беда всех многофакторных систем -

объем их полных исследований был бы слишком велик. Исследовав какие-то сечения

(при фиксированном значении одного из параметров) и найдя оптимум по всем

переменным при губке из вольфрама, нельзя предполагать, что те же значения

остальных переменных обеспечат максимум эмиссии при губке из сплава

вольфрам-осмий. До полного понимания физических процессов в WBa-катода еще

далеко. Недавно, например, было обнаружено, что весьма эффективен катод,

подвергнутый напылению пленки не Sc_>2 >О₃,

а смеси вольфрама и Sc₂ >О₃.

Предполагают, что на поверхности Sc_>2 >О₃

особенно хорошо сорбируется барий. Но это пока гипотеза.

>Долгое

время было неизвестно, что, собственно, является эмитирующей структурой

WBa-катода - поверхностные кристаллические образования из ВаО (или иные -

скажем, СаО с монослоем бария) или монослой бария на монослое кислорода на

вольфраме, "система W- lang=EN-US >O >- lang=EN-US >Ba >".

Кристаллические образования на поверхности WBa-катода были обнаружены с помощью

электронного микроскопа, и по крайней мере в тех условиях, в которых они были

обнаружены, их существование было доказано. Но условия в электронном микроскопе

отличаются от условий в ЭВП. Многочисленные исследования поверхности WBa-катода

методами изучения поверхности, как правило, не давали ясного ответа. Даже при

сравнении с эталонами (кристаллами и монослойными пленками) сигнал от катода

зачастую отличался от сигнала всех эталонов. Отчасти проблема усугублялась тем,

что на начальном этапе методы исследования поверхности не обладали должной

пространственной избирательностью.

>Позже,

по мере усовершенствования методик, стали появляться работы, в которых

утверждалось, что в катоде есть и монослой, и кристаллические образования.

Действительно, и барий, и кислород к кристаллам должен как-то доставляться,

видимо, по механизму поверхностной диффузии по вольфраму. Наконец, было по

крайней мере две попытки выяснить путем расчетов, что образуется на поверхности

- кристаллы или монослой. Установлено, что при относительно больших потоках

бария и кислорода образуются кристаллы, при малых - монослой.

>Параметры

и применение WBa- и BN-катодов

>Напомним,

что в этом разделе объединены катоды, эмитирующая структура которых образуется

на металлической подложке из диффундирующих из глубины катода (или поступающих

из прибора) ЩЗМ и кислорода. Подложкой является вольфрам в классическом WBa-катоде,

сплавы вольфрама с иридием, рением, осмием или чистые иридий, рений, осмий,

никель в BN-катоде. Понятно, что эмиссия катодов будет зависеть от того, какая

структура образуется. Срок службы будет зависеть от запаса активного вещества и

потока испарения. Посмотрим, какие значения параметров достигаются на практике.

>1.

Зависимость импульсной эмиссии от температуры.

>В

режиме коротких (микросекундных) импульсов при 800-900-1000-1100-1200-1300?С

рекордные значения эмиссии составляют 1-5-15-50-150-300 А/см².

>Реально

используемые в приборах плотности тока меньше по крайней мере раза в два (по

тем же причинам, что для оксидного катода).

>2. >

Зависимость импульсной эмиссии от длины импульса. При длительностях импульса

1-10-100-1000 мкс предельные токоотборы составляют соответственно 100-50-30-20

А/см² при скважностях около 1000 для импульсов короче 30 мкс и около100

для импульсов длительнее 30 мкс.

>Реально

используемые в приборах плотности тока меньше по крайней мере в два раза.

>3. >

Зависимость стационарного токоотбора от температуры.

>Увеличивая

длину импульса или уменьшая скважность, мы приходим к стационарному режиму. При

температурах 900-1000-1100-1200?С рекордные значения стационарного токоотбора

3-10-20-30 А/см².

>Реально

используемые в приборах плотности тока меньше по крайней мере в два раза.

>4. > Связь

срока службы и токоотбора.

>При

стационарном токоотборе 0,3-1-3-10-30 А/см² рекордные достигнутые

значения срока службы - 200.000-100.000-30.000-1000 ч. Все комментарии см. в

разделе об оксидном катоде. Одинаковые предельные значения для токоотбора 0,3

А/см² и 1 А/см² означают всего лишь то, что испытания

длительностью более 200.000 ч (22 года в непрерывном режиме) не проводились.

>5. > Связь

срока службы и импульсного токоотбора.

>При

скважностях 100-1000 и микросекундных импульсах при токоотборах 10-30-100 А/см²

рекордно достижимые значения срока службы составляют 10.000-5.000-300 ч.

>Реально

используемые в приборах плотности тока меньше по крайней мере в два раза.

>6. >

Испарение катодов.

>Поток

массы при испарении катодов с диффузионным механизмом ограничения (катоды с

губкой и активным веществом в ее порах) снижается со временем пропорционально lang=EN-US >t^>-1/2 >. После

100 ч работы при 1000-1200?С поток массы составляет 3^.10^-11-7^.10^-10

г/см^2.с. Эти данные относятся к катодам с минимальным испарением,

обеспечивающим сохранение эмиссионной структуры, и соответствуют предельно

достижимым значениям срока службы. Поток массы при испарении может быть на 1-3

порядка больше, при этом срок службы будет меньше (а устойчивость к вредным влияниям

со стороны прибора больше - этот эффект более подробно рассмотрен далее).

Состав продуктов испарения - барий и ВаО, отношение ВаО/Ва = 0,15-0,4. Все

новые модификации WBa-катода (WBaOs >-, lang=EN-US >WOsBa > -

катод и т.д.) имеют поток испарения в несколько раз меньше, т.к. добавки к

вольфраму либо менее активны по отношению к ВаО, либо на них выше энергия

сорбции эмиссионной структуры. Для катодов без диффузионного ограничения

(активное вещество не в губке) поток испарения от времени не зависит до

исчерпания активного вещества.

>7. В lang=EN-US >N >-катод.

>Данных

по BN-катоду в целом довольно мало и широко он обследован не был. При

стационарных токоотборах 1-3 А/см² был достигнут срок службы около

5000 ч, этот токоотбор обеспечивался при 800-900?С, а импульсный токоотбор при

этих же температурах достигал 20-50 А/см² (все данные - рекордные).

Уступая по импульсной эмиссии оксидному катоду, а по стационарной - WBa-катоду,

BN-катод в итоге перестал применяться. Более подробный анализ показывает, что

это было связано с формированием на его поверхности толстого слоя кристаллов

оксида (отсюда малая стационарная эмиссия), причем неоптимального состава

(отсюда малая импульсная эмиссия).

>8.

WBa-катод.

>Область

применения WBa-катодов в настоящее время такова - все ЭВП СВЧ, кроме тех, где

применяется ОК (т.е. при малых плотностях токов), и >Ir >-РЗМ

(т.е. при экстремально высоких плотностях токов).

>Вопросы

к разделу 5.2

>1. > Когда

идет речь о реальной вольт-амперной характеристике, употреблено выражение

"установление некоторых напряжений на электродах прибора вовсе не означает

одинакового электрического поля на поверхности ненагретого катода". Почему

"ненагретого"?

>2. > Почему

в обычном импрегнированном катоде поток диффузанта уменьшается со временем?

>3. > Что

такое гидратация? Каковы отрицательные последствия гидратации активного

вещества? Как их избежать (придумайте несколько способов, желательно - не менее

трех).

>4. > Как

различаются условия в электронном микроскопе и в ЭВП?Найдите два

основных различия и придумайте способы их преодоления.

>5. > Как вы

думаете, что образуется на поверхности WBa-катода, если поток бария велик, а

кислорода - мал и наоборот?

>6. >

Предложите эксперимент по выяснению влияния на работу WBa-катода факторов по

отдельности.

>7. >

Назовите основные параметры катода.

>8. >

Назовите основные области применения катода.

>5.3. >

Проблема низкотемпературных катодов со стабильной эмиссией

>Низкотемпературные

катоды могут быть двух типов. Первый - это катод с работой выхода меньше, чем у

оксидного катода. Эта задача решена. Второй - такой же, но с дополнительным

условием сочетание токоотбора и срока службы не хуже, чем у оксидного катода

(скажем, хотя бы 1 А/см² - 10.000 ч). Таким образом, катод,

созданный в результате решения этой второй задачи, мог бы вытеснить оксидный

катод из области его классического применения - из кинескопов, ЭВП СВЧ, мощных

ламп. Эта задача не решена.

>Катод,

созданный первым способом, воспринимается как один из катодов, который в

некоторых экзотических условиях лучше обычного оксидного. Например, система

кремний-цезий может иметь при 20-100?С эмиссию 10^-3-3^.10^-3

А/см², т.е. на много порядков больше, чем оксидный катод. Заметим,

что все эти поиски идут в основном в области систем с барием или цезием.

>Ситуация

эта для техники вполне обыденная, и важно понимать следующее. Если бы этот

катод был создан раньше оксидного, не исключено, что катодная техника пошла бы

по пути использования катодов без накала (20?С), но в 30 раз больших размеров.

>Инерция

в технике вообще достаточно велика, и обычно пробивается только то новое, что

чем-то заметно лучше старого, ничем не хуже и не требует больших модификаций

окружающего технического мира.

>6. >

Тепловые параметры катодов

>Тепловые

параметры катодов удобно характеризовать коэффициентом излучения эмитирующей

поверхности, тепловыми потерями и временем разогрева. Смысл применения этих

параметров и целесообразность применения других мы обсудим ниже.

>Коэффициент

излучения эмитирующей поверхности, а также других поверхностей катода позволяет

судить о том, какую мощность (при известной рабочей температуре) катод излучает

в прибор. Как из соображения экономии мощности накала, так и избегая лишнего

нагрева прибора, коэффициенты излучения следует уменьшать. При выборе материала

катодного узла руководствуются, как правило, другими соображениями, так что для

уменьшения излучаемой мощности необходимо их полировать до достижения

шероховатости много меньшей, чем длина волны теплового излучения. Для

уменьшения коэффициента излучения можно и металл (основной) покрывать тонкой

пленкой другого вещества, однако практического применения это не получило, т.к.

выигрыш оказался мал. Что касается эмитирующей поверхности, то полировка ее не

всегда имеет смысл, ибо при работе катода шероховатость может изменяться (и

из-за термического травления, и из-за образования на поверхности эмитирующей

структуры). Никаких систематических исследований этого эффекта не проводилось.

>Интегральный

коэффициент излучения основных катодных материалов таков: ОК - 0,2-0,3; ОК на

шероховатом керне - 0,3-0,4; WBa-катод - 0,5-0,6; IrLa-катод - 0,35-0,4; lang=EN-US >LaB_>6 > -

0,55-0,6; W-катод - 0,3. Соответственно мощности в Вт, излучаемые с

одного квадратного сантиметра эмитирующей поверхности при рабочих температурах,

составляют для ОК 1-2,5 Вт/см²; ОК на шероховатом керне - 2-3,5

Вт/см²; WBa-катода - 10-14 Вт/см²; IrLa-катода - 20-30

Вт/см²; LaB₆ >-катода

- 40-50 Вт/см²; W-катода - 85-100 Вт/см².

>Экономичность

катода можно охарактеризовать разными величинами Наиболее часто в истории

катодной техники для характеристики экономичности применялась величина

"эффективность" - отношение токоотбора к потребляемой мощности. Такая

величина наглядна, но не

>полностью

характеризует катод, ибо токоотбор зависит и от режима эксплуатации, а

последний - от свойств прибора. В литературе использовалась более удачная

характеристика тепловых свойств - "тепловые потери". Строго говоря,

вся мощность, потребляемая катодом, кроме произведения тока на работу выхода,

является тепловыми потерями. Поэтому правильнее было бы писать "тепловые

потери, которых можно избежать'' и понимать под этим теплоотвод по держателям и

излучение неэмитирующей поверхности (в свободное пространство). Такой параметр

будет характеризовать именно совершенство конструкции узла с точки зрения

экономичности.

>Заметим,

что в некоторых классах приборов (магнетронах, сеточных лампах) часть излучения

с эмитирующей поверхности возвращается на катод. Это должно учитываться как при

эксплуатации (установление режима), так и при вычислении тепловых потерь по

данным эксплуатации в приборах. Проще всего определять тепловые потери, вычитая

из потребления узла (установленного так, чтобы излучаемая им мощность в

основном не возвращалась к нему) излучение эмитирующей поверхности, вычисленное

по температуре и коэффициенту излучения.

>Тепловые

потери являются характеристикой, относительно слабо зависящей от типа катода,

т.е. рабочей температуры. В основном они зависят от размеров узла, т.к. большой

узел по чисто конструкторско-технологическим причинам легче сделать

экономичным. В итоге при площади эмитирующей поверхности торцевых катодов с

эмитирующей поверхностью в форме одного круга при площади эмитирующей

поверхности 1 мм²; 10 мм², 1 см²; 10 см²;

100 см² для большинства узлов тепловые потери составляют

соответственно 80-100%; 50-100%; 40-90%; 20-60%; 15-40%. Меньшие значения -

рекордно достигнутые. Разумеется, тепловые потери кольцевых и многолучевых

узлов больше.

>Третий

тепловой параметр - это время разогрева катода с момента включения напряжения

накала до достижения определенной температуры, как правило, очень близкой к

рабочей температуре, В самом грубом приближении оно равно теплоемкости узла,

деленной на мощность накала. Отсюда видно, что требования высокой экономичности

и малого времени разогрева отчасти противоречат друг другу. Разумеется,

применение дежурного режима при пониженном накале или форсированного накала

уменьшит время разогрева. Время разогрева в основном зависит от размеров катода

и для торцевых катодов косвенного накала составляет при площади эмитирующей

поверхности 1 мм²; 10 мм²; от 1 до 1000 см²

соответственно 1-3 с; 1-20 с; 10-100 с. Эти данные относятся к узлам, при

разработке которых предпринимались меры по уменьшению времени разогрева.

>Для

прямонакальных катодов достигнуто меньшее время разогрева - для ОК на проволоке

до 0,3 с, для WBa-катода на проволоке 4 с для >LaB_>6 >-катода

- 1 с, для ОК на фольге - 1 с.

>Сильная

зависимость параметров катода от температуры обусловила необходимость решения

двух задач - поддержания требуемой температуры катодов в течение срока, службы

(или закономерного ее изменения, что настолько сложно, что никогда не

применяется), и уменьшения разброса температур катодных узлов одного типа и

точного измерения температуры. Ключ к уменьшению разброса один - и он такой же,

как во всей технике -уменьшение разброса параметров материалов и деталей.

Сохранение температуры в процессе срока службы - это сохранение параметров

материалов и деталей.

>Задача

измерения температуры катода может и не иметь катодной специфики, если

температура измеряется обычной термопарой или по тем или иным характеристикам

излучения (мощности в каком-то диапазоне частот, полной мощности, отношению

мощностей на разных частотах). Катодная специфика возникает, если для измерения

температуры используются эмитированные катодом электроны (измерение электронной

температуры по токам задержки) либо естественная термопара, образованная

контактом разнородных элементов катодного узла (подогреватель и катод, керн и

держатель, подогреватель и траверса).

>Вопросы

к главе 6

>1. > От

чего зависит коэффициент излучения материалов и как можно его изменять?

>2. > Как

можно изменять коэффициент излучения эмиттера?

>3. > Какими

параметрами можно характеризовать экономичность катодов?

>4. > Как

определить экспериментально экономичность катода?

>5. > Как

оценить теоретически экономичность катода?

>6. > Как

определить экспериментально время разогрева?

>7. > Как

оценить теоретически время разогрева? Влияет ли на него запас эмиссии катода?

>7. >

Взаимодействие катод - прибор

>Катод

поставляет в прибор не только электроны. С катода в объем прибора поступают

атомы (или ионы), испаренные с катода, его тепловое и световое излучение.

Тепловое излучение нагревает прибор, а нагрев может вызвать сокращение срока

службы или разрушение прибора. Световое излучение вредно только в некоторых

типах фотоприборов. Катод выделяет разного рода вещества, изменяющие давление и

состав остаточных газов в приборе. Выделенные катодом газы могут влиять на

работу катода как сами по себе, так и в результате каких-либо реакций.

Например, они могут окислить электроды прибора, а те потом будут выделять кислород.

Особенно сильно газовыделение катода, если при его обработке, как, например,

при обработке ОК, происходят реакции, идущие с газовыделением (для lang=EN-US >OK >

-разложение карбонатов).

>Стандартным

способом уменьшения газовыделения является нагрев (в вакууме или аргоне) при

температуре, выше последующей рабочей температуры. Однако такой нагрев

сокращает срок службы катода. Если высокое газовыделение имеет место при

предварительной (до начала срока службы) обработке катода (например, разложение

карбонатов в ОК), то можно попытаться защитить прибор от действия выделяющихся

из катода газов. Это делалось несколькими методами.

>Во-первых,

ускорением откачки прибора. Во-вторых, прокачкой через прибор при обработке

катода инертного газа. В-третьих, изготовлением катода из веществ с меньшим

газовыделением (оксиды вместо карбонатов), но такой катод портится при

пребывании в атмосферных условиях. В-четвертых, можно после обработки катода

дополнительно очищать прибор прогревом при прокачке восстанавливающего газа ( lang=EN-US >H_>2 >).

В-пятых, можно обработать катод вне прибора, вообще в некоторой вакуумной

камере, а потом перенести в прибор, установить его и собрать прибор. Но при

переносе через атмосферу уже обработанного ОК он может испортиться и ею надо

защищать от воздействия атмосферы - либо пленкой, не пропускающей газы, либо

средой инертного газа, либо подавая небольшое напряжение накала, так, чтобы

катод нагревался до 100-200?С.

>Что

касается вредного испарения веществ с катода (и, вообще говоря, любого

нагретого электрода), то оно, как уже указывалось, влияет на электропрочность и

токи утечки изоляторов. Кроме того, оно влияет на паразитную эмиссию, если

продукты испарения, попадая на какой-то электрод, уменьшают его работу выхода и

если температура этого электрода достаточно высока для возникновения эмиссии.

Стандартный случай - напыление бария с ОК или тория с WCTh-катода на сетку.

Поскольку сетка часто бывает горячей (нагрев излучением катода), а анод

находится под большим положительным потенциалом относительно сетки, то

возникает эмиссия с сетки. Этот ток нарушает работу схем, в которых

используются лампы.

>Проблема

исследования влияния на прибор продуктов испарения катода очень сложна, т.к.

слишком много в этой задаче варьируемых переменных. Например, состав продуктов

испарения для одного и того же катода зависит от режима эксплуатации катодов,

наличия активаторов и т.п. А поведение этих продуктов при попадании на

какой-либо электрод зависит от его температуры и материала. Например, хорошее

антиэмиссионное покрытие для работы с ОК - золото, т.к. оно растворяет барий

или титан. В паре с другими катодами применяются другие антиэмиссионные

покрытия, например, в паре с WBa-катодом - гафний, тантал, цирконий.

>Заметим,

что антиэмиссионные покрытия могут применяться не только для работы в условиях

напыления каких-либо веществ с катода, но и в условиях миграции веществ с него.

Таковы условия работы частей катода, которые не должны эмитировать электроны,

например, боковой поверхности у торцевых или торцевой у цилиндрических катодов.

Кроме того, иногда неэмитирующие участки должны находиться прямо на эмитирующей

поверхности катода, если надо создать на катоде так называемый

"эмиссионный рельеф" или "эмиссионный рисунок". Например,

для создания областей с повышенной работой выхода на WBa-катоде применялись lang=EN-US >MoSi_>2 > и

молибден, на LaB₆ >-катоде

- графит, на ОК - никель.

>С

другой стороны, катод подвергается следующим воздействиям со стороны прибора.

>Тепловое

излучение. Оно редко имеет мощность, достаточную для влияния на температуру

катода, потому, что катод, как правило, является самым горячим элементом

прибора. Поток тепла, поступающий на катод, может заметно влиять на его

температуру, если прибор отражает значительную часть теплового излучения катода

обратно на катод. Такая ситуация имеет место в сеточных лампах, когда анод

близок к катоду и "накрывает" его полностью (в отличие от лучевых

приборов), и в магнетронах.

>Развакуумирование.

Классические электронные приборы не должны развакуумироваться. Иногда их

вскрывают по окончании срока службы для выяснения причин выхода из строя, но

работающие приборы вскрывают в двух случаях - если это установка,

предназначенная для вскрытия (вакуумная печь), либо если это экспериментальный

прибор, предназначенный для отработки конструкции. В этих случаях катод можно

заменить.

>Зачем

требуется замена? Во многих случаях катод, оказавшийся на воздухе, окисляется

или гидратируется. Если получившиеся соединения разлагаются без последствий при

последующем нагреве в вакууме, то катод не портится. Но если это, например, оксидный

катод, то при гидратации оксидов покрытие вспучивается, отслаивается от керна

(т.к. объем гидратов больше объема оксидов) и осыпается. В некоторых катодах

активные металлы переходят в оксиды, которые при работе катода в вакууме либо

не восстанавливаются до металла, либо испаряются, уменьшая содержание веществ в

катоде.

>Особенно

опасно развакуумирование при нагретом катоде или, как принято говорить,

"прорыв атмосферы". Часто на экспериментальных установках, на которых

возможно аварийное ухудшение вакуума, предусматриваются специальные схемы,

которые отключают накал катода. Понятно, что если тепловая инерция катода

велика, а ухудшение вакуума происходит быстро (например, лопнуло стекло в

вакуумной камере), то никакое отключение не предотвратит аварии. Катод lang=EN-US >LaB_>6 > с

толщиной эмиттера 5 мм и диаметром 80 мм остывает слишком медленно. В

результате при прорыве атмосферы LaB_>6 >

успевает окислиться до La_>2 lang=EN-US >O_>3 > и lang=EN-US >B_>2 lang=EN-US >O_>3 >, а эти

окислы - расплавиться и застыть каплями некоего "лантан-борного

стекла".

>Напыление

металлов. В некоторых случаях, особенно при слишком большой мощности,

выделяющейся на коллекторе, он нагревается до испарения и атомы металлов

попадают на катод. Дальнейшая судьба катода зависит от потока испарения металла

с катода, от потока диффузии металла в глубину катода, от взаимодействия этого

металла с катодом, т.е. от образующихся на его поверхности структур и их работы

выхода. Работ, в которых бы исследовалось поведение катодов при напылении

металлов, за всю историю катодной техники выполнено не более десяти; вопрос

может считаться совершенно не изученным.

>Анодные

эффекты. Это влияние на катод металлов и газов, поступающих с анода

(коллектора) в результате воздействия на него потока электронов с катода.

Причем во многих случаях удаляемые с анода вещества - это продукты испарения

катода. Почему же они влияют на катод, если это и есть вещества катода? Дело в

том, что если с катода испаряются вещества А и В в соотношении 1:1, и если на

анод они оседают в том же соотношении, и даже если они испаряются (десорбируются)

с него все в том же соотношении 1:1, то совсем необязательно, что они в том же

соотношении сорбируются в итоге катодом. Например, если катод испаряет почти

поровну барий и кислород, то обратный поток сорбируется не целиком. Коэффициент

сорбции бария на катоде намного меньше, чем кислорода, и в результате катод

сорбирует кислород и выходит из строя. Анодные эффекты исследованы в какой-то

степени по ОК. По другим катодам данные почти отсутствуют.

>Бомбардировка

катодов ионами. Во многих случаях на катод поступают не атомы (газов и

металлов), а ионы. Это происходит, если атомы в пространстве прибора

ионизируются электронами или с окружающих катод электродов десорбируются ионы.

Ионная бомбардировка в принципе может быть использована для очистки катода (как

и для очистки любых других деталей), и такие попытки предпринимались. Как

правило же, ионная бомбардировка ухудшает эмиссию, поскольку ионы внедряются в

поверхность катода и изменяют его состав, а также сокращает срок службы катода,

распыляя его материал.

>Количество

исследований по поведению катодов при ионной бомбардировке весьма мало, и

вопрос практически не изучен. В области ионных воздействий на катод известно

несколько нетривиальных эффектов. Например, в приборах с узким ленточным

катодом и таким же ленточным пучком воздействие ионов на катод ослабевает из-за

того, что ионы, по мере их движения к катоду, могут покидать тонкий ленточный

пучок (поскольку имеют хаотические тепловые скорости). Или, например, если

продукты испарения катода ионизируются электронным пучком, то малоподвижные

ионы могут компенсировать объемный заряд электронов и в результате увеличивать

токоотбор.

>Эффект

отравления. Большинство газов так или иначе влияет на работу катодов, или

немного увеличивая эмиссию (Н₂, СО), или сильно ее уменьшая

(окисляющие - О₂, СО₂, галогены). Не влияют на работу

катодов инертные газы (гелий, аргон) и, как правило, азот. Влияние газов (как

принято говорить, "остаточных газов", хотя это иногда и не остаточные

газы, а натекание) проявляется в изменении состава и структуры поверхности и,

следовательно, эмиссии. Данные по влиянию газов на эмиссию имеют очень большой

разброс, в первую очередь потому, что состав газов в приборе из-за реакций (в

том числе с катодом) отличается от состава напускаемых газов. Но даже если

состав газов в приборе контролируется, это еще не гарантирует правильности

данных.

>Если

характеризовать отравляющую способность давлением, при котором эмиссия

уменьшается на 10%, то допустимые давления кислорода будут ориентировочно

следующими: для ОК при 800-900-1000?С 2^.10^-8-10^-5-2^.10^-4

Па (для Н₂0 в 200 раз больше), для WBa-катода при 1000-1100?С 10^-7-10^-6

Па (для СO₂ >в 2000

раз больше, для Н₂O - > в 1000

раз больше), для LaB₆ >-катода

при 1400-1600?С 10^-3-1,5^.10^-2 Па (для С lang=EN-US >O_>2 > и Н₂ lang=EN-US >O >

примерно столько же), для вольфрама при 1820-2320?С 2^.10^-5-10^-2

Па. Для WBa-катода приведены данные для катода с оптимизированной пористостью

губки, дающей минимум испарения. Для катодов с более пористой губкой допустимые

давления могут быть и на два порядка больше (при меньшем сроке службы).

>Из этих

показателей видно, что если сравнивать катоды по стойкости к отравлению при

температурах, обеспечивающих один и тот же токоотбор, то действительно наиболее

чувствителен ОК, а стоек W-катод. Если же сравнение проводить при одинаковых

температурах, то различия уменьшаются или даже инвертируются. Например, для

отбора 1 А/см² с ОК, WBa >-, lang=EN-US >LaB_>6 >- и

W-катода надо, соответственно, 730-900-1440-2350?С, и допустимое давление

кислорода составит 4^.10^-9-10^-8-2^.10^-3-2^.10^-2

Па. При одинаковой температуре картина иная: при 1000?С ОК отравляется при 2^.10^-4

Па, WBa-катод - при 10^-7 Па, при 1200?С WBa-катод при 10^-5

Па, LaB₆ >-катод

при 10^-4 Па. Таким образом, не нужно слепо доверять мнению, что ОК

не стоек к отравлению.

>Все

зависит от того, при какой температуре, при каком токоотборе или при каком

сроке службы (смотря по тому, что оговорено) сравнивать. Например, ОК

применялся и в плавильных печах, и в ускорителях с плохим (техническим)

вакуумом. Если срок службы 8 часов (т.е. установка вскрывается раз в смену, и

заменить катод не составляет труда), то можно его нагреть до 1100?С и он будет

работать при давлении кислорода 0,4 Па.

>Еще раз

напомним, что все эти данные носят оценочный характер, т.к вообще работ по

правлению катодов не очень много, делаются такие работы редко, данные не всегда

представляются в форме, допускающей сравнение с другими работами, и разброс

данных довольно велик. Разумеется, все модификации катодов основных типов ( lang=EN-US >LaB_>6 > с

добавками, WBa с осмием или скандием, ОК с

разными активаторами и т.п.) имеют свои допустимые давления отравления,

отличающиеся от данных для основных типов обычно в 2-3 раза.

>В

некоторых случаях отравление может, не сказываясь заметно на эмиссии, уменьшать

срок службы катода. Такой эффект установлен для WCTh-катода (ввиду

декарбидизации), для Мо-La_>2 lang=EN-US >O_>3 >-катода,

для LaB₆ >-катода

(окисление лантана и бора и быстрое испарение >La_>2 lang=EN-US >O_>3 >, В₂ lang=EN-US >O_>3 >).

>Самостоятельный

интерес для применения катодов представляет исследование их поведения после

длительной выдержки в "неидеальном" вакууме в холодном (выключенном)

состоянии. Если отравление при рабочей температуре - это воздействие на

работающий катод, то отравление при комнатной температуре, точнее, реактивация

после воздействия газа на холодный катод - это воздействие на прибор (или

устройство), находящийся на длительном хранении.

>Например,

для оборудования многих типов ракет предусмотрен срок хранения 11 лет (10 лет

на пусковой позиции и 1 год для транспортировки), в течение которых

оборудование включается раз в 1/2 года для контроля, а при пуске работа всех

приборов, а значит, и эмиссия всех катодов должны достигнуть нормальных

значений через заданное время - обычно несколько единиц или десятков секунд.

Т.е. катод должен реактивироваться быстро, в идеале - за время, в несколько раз

меньшее, чем время разогрева, чтобы "время готовности" было почти

равно "времени разогрева". Данных по реактивации катодов получено

очень мало, и можно сказать, что систематических данных пока нет.

>Вопросы

к главе 7

>1. > Почему

газовыделение уменьшается после нагрева в аргоне?

>2. > Что

происходит при увеличении скорости откачки прибора, если скорость газовыделения

катода остается неизменной?

>3. > Почему

ОК, изготовленный не из карбонатов, а из оксидов портится при переносе через

атмосферу?

>4. > Почему

обычный ОК, если его после первого нагрева в вакууме перенести через атмосферу,

может испортиться? Почему нагрев до 100-200оС защищает его?

>5. > Катод

имеет тепловые потери 50%, мощность накала 10 Вт, коэффициент излучения катода

0,55 (WBa-катод), анода - 0,3. Какая дополнительная мощность вызывает

увеличение температуры катода по отношению к его работе в "пустом

пространстве"?

>6. > Чем

отличаются друг от друга "время готовности" и "время

разогрева"?

>8. >

Сопоставление высокотемпературных катодов с низкотемпературными

>По

скорости испарения при температуре, обеспечивающей заданную эмиссию, лучшие

высокотемпературные катоды не уступают низкотемпературным. Высокоэмиссионные

грани LaB₆ >-катода

не уступают в эффективности эмиссии WBa-катоду.

>Однако

те же значения эмиссии и испарения удобнее, конечно, получать при меньшей

температуре. При этом уменьшаются трудности, связанные с нагревом катода,

особенно при размерах катода более единиц сантиметров или при температурах

более 1200?С.

>Применение

того или иного катода объясняется, в частности, тем, что совершенствование

высокотемпературных катодов по соотношению эмиссии и испарения позволило им

конкурировать с низкотемпературными. Высокотемпературные имели худшие

параметры, ибо они применялись в технологических и экспериментальных установках

(например, ускорителях), где параметры катода не столь важны.

>Для

применения катодов важна стойкость к влиянию остаточных газов (отравлению) и

напылениям (в частности, анодным эффектам). При температурах, обеспечивающих

одинаковую эмиссию, низкотемпературные катоды более чувствительны к вредным

воздействиям со стороны прибора, чем высокотемпературные. Так, для эмиссии 3

А/см² необходима температура обычного WBa-катода около 900?С, lang=EN-US >LaB_>6 >-катода

- около 1550?С. При этом . отравляющие давления кислорода соответственно

составляют около 10^-8 Па и 10^-2 Па. При всей

приближенности этих данных они достаточно красноречивы. Это соотношение

сохраняется в общих чертах и для других значений эмиссии, и для других газов.

>В

электровакуумных приборах применяются в качестве термокатодов почти

исключительно оксидный и WBa-катод, в ЭВП СВЧ - Ir-РЗМ-катод, в некоторых

мощных лампах - WCTh, а в технологических и

экспериментальных установках - LaB_>6 >,

вольфрамовый и другие высокотемпературные катоды. При этом конструкторы

технологических и экспериментальных установок менее скованы традицией; были

случаи применения в технологических установках и оксидных катодов. При

соответствующей высокой температуре такие катоды успешно сопротивлялись

отравлению остаточными газами и напылениями, но срок службы их составлял

несколько часов.

>9. > Нагрев

катодов

>До

какой температуры нагревают катод, зависит от параметров материала (работы

выхода и энергии испарения), с другой стороны - от требований к эмиссии и сроку

службы. История развития привела к тому, что характерные основные диапазоны

температур применения катодов таковы: оксидный 700-800?С, lang=EN-US >WBa > и ему

подобные - 900-1100?С, LaB_>6 > - >

1400-1700?С, карбидные и металлические - до 2200?С. Проблемы нагрева катодов до

этих температур можно разделить на следующие:

>- > общие

проблемы нагрева;

>- >

проблемы нагрева в вакууме;

>- >

специфически катодные проблемы.

>Общие

проблемы нагрева - это обеспечение "заданного профиля температуры",

т.е. заданных температур на заданной геометрической поверхности (эмитирующей

поверхности катода), времени нагрева и срока службы. Первое, как правило,

сводится к равномерному нагреву. В катодной технике есть много случаев, когда

токоотбор с катода неравномерен (катоды кинескопов, большинство

крупногабаритных катодов, многие катоды клистронов и ЛБВ), и в этих случаях

можно было бы участки с меньшим токоотбором поддерживать при меньшей

температуре. Однако это повлечет за собой лишь некоторое уменьшение

рассеиваемой и, следовательно, потребляемой мощности. Срок же службы это не

увеличит, т.к. он будет определяться наиболее нагретым участком катода (кроме

редких случаев, когда толщина эмиттера сравнима с диаметром катода или

коэффициент диффузии анизотропен и существенны поперечные диффузионные потоки).

Поэтому, как правило, приходится конструировать подогреватель, создающий

равномерный (с некоторой точностью) нагрев. Наиболее сложно обеспечить

отсутствие уменьшения температуры на краях эмитирующей поверхности, именно там,

где во многих случаях (ЛБВ и клистроны, но не кинескопы) токоотбор максимален.

>Второй

задачей является обеспечение малого времени разогрева. Время разогрева равно

отношению теплоемкости катода к мощности нагревателя. Аналитическое определение

его довольно сложно, т.к., во-первых, в процессе разогрева часть мощности - и

чем дальше, тем большая - расходуется на теплоотвод от катода, во-вторых, в

процессе нагрева мощность не остается постоянной. Причем, если подогреватель

металлический, с исходным (холодным) сопротивлением, в несколько раз меньшим,

чем финишное (горячее), и питание подогревателя осуществляется от источника

фиксированного напряжения, то стартовая мощность больше стационарной. Если

нагреватель углеродный или питание производится от источника стабилизированного

тока, то ситуация обратная. Реальный источник имеет обычно какую-то

промежуточную характеристику, выбранную исходя из влияния на стабильность

температуры катода в процессе срока службы и допустимого запаса по мощности

(ухудшающего показатели веса и габаритов). Заметим, что можно уменьшить время

разогрева катода, уменьшая его экономичность, т.е. увеличивая мощность накала,

но по этому пути обычно не идут.

>При

фиксированных характеристиках источника питания уменьшать время разогрева

можно, либо уменьшая массу узла, что в итоге вступает в противоречие с

прочностными соображениями, либо стараясь применять материалы с высоким

отношением прочности к удельной теплоемкости. Заметим, что время разогрева

является важным конкурентным параметром катодов, ибо полупроводниковые приборы

имеют мгновенную готовность к работе. Для термокатодов получить время разогрева

менее 10 с сложно, менее 1 с - очень сложно. Рекордные значения - это десятые

доли секунд, причем все это при малых габаритах. При больших габаритах (1-10

см) время разогрева может достигать нескольких минут.

>Следующей

проблемой является сопротивление нагревателя. Дело в том, что заданную мощность

можно реализовать при любом сопротивлении нагревателя путем выбора

соответствующего напряжения (или тока) накала. Но технически неудобны как

напряжения более киловольта (растет риск пробоев, требования к безопасности),

так и токи более сотен ампер (требуются толстые подводящие шины, растут потери

в коммутационных устройствах и их габариты). Поэтому сопротивление нагревателей

должно находиться в определенных пределах. Эта проблема обостряется при

переходе к вакуумным нагревателям, и особенно - к нагревателям катодов, поэтому

ниже мы к ней вернемся.

>Следующей

проблемой является сохранение размеров. При нагреве почти все материалы

обратимо расширяются. Это само по себе не опасно, но при нагреве, во-первых, в

некоторых случаях возникают необратимые деформации, если диапазон изменения

температуры захватывает точку фазового перехода. Во-вторых, если конструкция не

допускает свободного расширения деталей или если оно теоретически возможно, но

происходят "заклинивания", то детали либо разрушаются, либо

деформируются в непредусмотренном направлении и весьма сильно. Опасны,

очевидно, касания элементов нагревателя, находящихся под разным потенциалом, или

элементов нагревателя и экранов. Для нагревателей катодов эта проблема

осложняется еще и тем, что, как правило, их стараются сделать меньших

габаритов.

>Переходя

к вопросам нагрева катодов в вакууме, отметим, что при работе в вакууме можно

применять в качестве материалов нагревателя вещества, окисляющиеся на воздухе.

Широко используется, например, вольфрам и его сплавы, очень прочные, но

окисляющиеся на воздухе.

>С

другой стороны, некоторым материалам нагревателей свойственно газовыделение,

ухудшающее вакуум, его можно уменьшить прогревом в вакууме (отжигом).

>Наконец,

при переходе к вакуумным нагревателям усложняются проблемы, связанные с выбором

их сопротивлений. Вводы в вакуум очень сложно выполнить на токи более десятков

ампер, что сужает диапазон возможных сопротивлений.

>При

переходе к нагревателям катодов эта проблема усугубляется. Дело в том, что

большинство катодов электровакуумных приборов должно иметь стандартные

напряжения накала - чаще всего 6,3 В. Иногда напряжение накала должно быть 12,6

В, 27 В или другое, в зависимости от напряжения сети участка оборудования или

устройства, где установлен прибор. Приборы, предназначенные для

"бестрансформаторного" питания накала, т.е. питания накала от бытовой

сети, могут иметь напряжения накала от 120 В до 220 В. Требование работы при

точно определенном напряжении означает, что конструктор катода должен найти

значение сопротивления, реализующее именно при этом значении накала заданную

мощность, а точнее - заданную температуру катода. Причем последняя должна быть

достигнута с точностью до 1-2%, ибо она связана со сроком службы и эмиссией.

>Подбор

нужного значения сопротивления сводится, если нагреватель из проволоки, к

подбору диаметра и длины. Многочисленные попытки применить в качестве материала

нагревателя композиционные материалы металл+изолятор к успеху не привели.

Причина в том, что тонкую проволоку из такого материала сделать нельзя,

нагреватель должен быть относительно коротким и большего сечения (собственно,

на это была и надежда - избавиться от технологических операций с проволокой),

поэтому удельное сопротивление должно быть значительно больше, чем у металла.

Из физики композитов известно, что если один компонент - металл, а другой -

изолятор, то получить для смеси порошков сопротивление много большее, чем у

металла можно только, если металлические порошинки еле касаются друг друга,

т.е. если основное сопротивление сосредоточено в зонах контакта. Но в этом

случае эти зоны перегреваются еще сильнее, чем нагреватель в целом, и в них

материал быстро разрушается в результате взаимодействия с керамикой или

испарения.

>Композиты

без контактов, т.е. содержащие проводящую компоненту в виде тонких проволок, не

использовались, т.к. именно от тонких проволок и хотелось избавиться. Композиты

в виде тонкой пленки, нанесенной на диэлектрическую губку, или тонкой пленки,

нанесенной на диэлектрическую пластину, разработаны относительно недавно, и

опыт их эксплуатации еще не накоплен, хотя первые хорошие результаты и

получены. Опробовались варианты - покрытие углерод, губка - алунд, пластина -

алунд и нитрид бора.

>Дальнейшие

проблемы, связанные с катодами, таковы. Прежде всего названное газовыделение

может быть вредным именно для катодов. Так, нагреватель из вольфрамовой спирали

на алундовом (Аl₂ >О₃)

каркасе выделяет кислород в результате реакции алунда с вольфрамом, а именно

кислород наиболее вреден для WBa >- и

оксидного катода. Напыление с подогревателя может быть вредно для катода, хотя

то, что напыляется, напыляется обычно на неэмитирующую поверхность. Углерод,

например, легко диффундирует в никеле. Напыляющийся изнутри слой может влиять

на теплообмен, создавая как отражающий, так и поглощающий слой, который после

отслаивания превращается в теплозащитный экран. Все это относится к

подогревателю, нагревающему катод излучением. Напыление на изоляторы уменьшает

их сопротивление и электропрочность (пробивное напряжение).

>Вторыми

по распространенности можно считать кондуктивные нагреватели. Нагреватель через

изолятор прижимается к катоду (с неэмитирующей стороны). Традиционно считалось,

что кондуктивные (контактные) нагреватели можно применить только с оксидным и lang=EN-US >WBa >-катодным,

т.к. при более высоких температурах вольфрам реагирует с керамикой. Позже

оказалось, что при 1500?С существует диэлектрик ( >Y_>2 lang=EN-US >O_>3 >),

относительно медленно взаимодействующей и с вольфрамом, и с lang=EN-US >LaB_>6 >.

>Таким

образом, удалось сделать контактный нагреватель и для >LaB_>6 >-катода,

хотя лишь на нижнем крае температурного диапазона и лишь с очень малым сроком

службы. Открытым остается вопрос об использовании в качестве материала подогревателя

(как в контактном, так и в излучательном нагревателе) проводящей керамики. В

качестве керамического электрода для МГД-каналов давно и успешно применен

хромит лантана, позже разработаны керамики, работоспособные и до 2200?С, причем

и на воздухе Серьезной задачей для контактных нагревателей является обеспечение

постоянства теплового контакта между нагревателем и катодом. В процессе работы

диэлектрик, в который запечен нагреватель, при термоциклировании может

растрескиваться и отслаиваться. При постоянной вводимой в катод мощности это не

влияет на температуру катода, но сокращает срок службы подогревателя из-за

испарения и взаимодействия с изолятором. На практике, если нет стабилизатора

мощности, то изменение температуры нагревателя изменяет и потребляемую им

мощность, и температуру катода. Поэтому усилия при разработке контактных

нагревателей были потрачены на поиск изолирующих сред (как правило, на основе А lang=EN-US >l_>2 >О₃

и других оксидов), которые бы не трескались и не отслаивались. Заметим, что

трещины, параллельные потоку тепла (т.е. перпендикулярные поверхности катода),

на работу не влияют, т.к. не создают теплового сопротивления.

>Следующий

по распространенности тип нагревателя - с электронным накалом. Нить нагревателя

служит эмиттером (вспомогательным катодом), между нею и основным катодом

приложено ускоряющее напряжение, обычно порядка 1-3 кВ, и ускоренный

электронный поток бомбардирует катод к нагревает его. Основное преимущество -

мощность вводится в катод при удобном соотношении тока и напряжения и выделяется

именно в катоде.

>Например,

для LaB₆-катода площадью 50 см² с мощностью накала 4 кВт

обычный излучательный нагреватель должен иметь параметры 40 В х 100 А, а это

уже требует мощных (т.е. сильноточных) вводов в вакуумный прибор, при

электронном же накале 2 кВ 2 А сильноточные вводы не нужны. Заметим, что при

необходимости регулирования мощности накала, с точки зрения схемотехники, такое

соотношение предпочтительнее. Катод с таким нагревателем несколько экономичнее.

Однако у этого метода много недостатков. Во-первых, нужен дополнительный

источник питания, причем высоковольтный. Особенно это неудобно, если у прибора

заземлен анод, а высокое напряжение подается на катод - все

"накальные" источники и цепи оказываются на высоком потенциале

относительно земли (корпуса). Во-вторых, появляется необходимость

высоковольтной и, естественно, более высокоомной изоляции. В-третьих - наличие

вспомогательного, как правило, прямонакального вольфрамового катода,

работающего при высокой температуре, испаряющегося и имеющего малый срок

службы. При попытке понизить температуру этого катода, переведя его в режим

насыщения, обнаруживается, что работа узла в целом становится неустойчивой, ибо

любое напыление на этот катод влияет на его работу выхода и эмиссию; как

правило, напыления с катода уменьшают работу выхода, увеличивают эмиссию, ток и

мощность накала растет, температура основного катода увеличивается, испарение и

напыление еще более увеличиваются и т.д., вплоть до возникновения

неустойчивости и лавинного процесса. Известны попытки делать вспомогательный

катод из того же материала, что и основной (например, оба - LaB₆), и

разогревать вспомогательный катод только при включении прибора вольфрамовым

нагревателем, а потом этот нагреватель отключать и греть вспомогательный и

основной катод электронной бомбардировкой, прикладывая между ними переменное

напряжение. Ввиду схемных сложностей этот метод распространения не получил.

>Прочие

методы нагрева катодов могут считаться экзотическими. Например, индукционный

нагрев, когда вне вакуумного прибора располагается индуктор, создающий

переменное электромагнитное поле, проникающее (через диэлектрическую стенку) в

прибор и нагревающее катод. Преимущества очевидны - нет вакуумных вводов, а

недостаток - низкая экономичность и часто - неравномерность нагрева.

Практически метод применяется только в экспериментальных установках и весьма

редко. Возможен нагрев мощным световым или инфракрасным излучением (лампой или

лазером). Наконец, в качестве источника тепла может быть использован газовый

разряд в замкнутом объеме.

>Вопросы

к главе 9

>1. > Если

подогреватель углеродный, а питание производится от источника стабилизированной

мощности, стартовая мощность больше или меньше стационарной?

>2. > А если

от источника постоянного тока?

>3. > Как

характеристика источника влияет на стабильность температуры катода в процессе

срока службы?

>4. > Почему

отслоение изолятора в контактном нагревателе увеличивает его температуру (при

постоянной вводимой мощности)?

>5. > Почему

это (см. вопрос 4) может повлиять на мощность и как именно?

>6. > Почему

в катоде с электронном накалом должна быть более высокоомная изоляция?

>7. > Катод

выполнен в виде двух дисков из LaB_>6 >, между

которыми приложено переменное напряжение, одна из пластин служит основным

катодом для прибора, а другая - вспомогательным, при первоначальном нагреве она

нагревается вольфрамовым нагревателем, который потом отключается. За

вольфрамовой спиралью, находящейся вблизи диска, расположены, естественно,

тепловые экраны для экономии мощности. Какой из двух дисков нагревается сильнее

при работе и, если этого надо избежать, как этого добиться (укажите несколько

способов)?

>8. > Какие

материалы сжимаются при нагреве?

>9. >

Стержень нагревается так, что он должен был бы удлиниться на 1%. Предположим,

что его концы зафиксированы (упираются в недеформируемую деталь). Тогда

стержень изгибается вбок. Вычислите прогиб и убедитесь, что он много больше 1%.

Непонимание этого привело ко многим ошибкам в конструировании.

>Приложение

1. Некоторые понятия теории электричества

>Электрические

заряды. Электрическое взаимодействие связано с наличием у тел положительного

или отрицательного электрического заряда. Абсолютная величина электрического

заряда определяет интенсивность электрического взаимодействия. Для элементарных

частиц она одинакова и называется элементарным зарядом е, который равен

>е =1,6^.10^-19

(1)

>Кулон

(Кл) является производной единицей и определяется как заряд, проходящий за одну

секунду (1 с) через сечение проводника, по которому течет постоянный ток силой

один Ампер (1 А):

>1 > Кл = 1

А ^. 1 с (2)

>Для

расчета электронно-оптических систем, работающих в режиме регистрации отдельных

элементарных частиц, силу тока в Амперах :

>1 > А = 1

Кл / 1 с, (3)

>переводят

в размерность потока частиц. Так, для 1 А

>j > = 1 > А ^.

1/е = 1 Кл / 1 с ^.1/1,6^.10^-19 Кл = 6,25^.10¹⁸

с^-1, (4)

>т.е.

силе тока в один Ампер соответствую поток электронов, равный 6,25^.10¹⁸

электронов в секунду.

>Взаимодействие

двух покоящихся точечных зарядов в вакууме определяется основным законом

электростатики - законом Кулона: сила взаимодействия двух точечных зарядов

прямо пропорциональна их модулям и обратно пропорциональна квадрату расстояния

между ними:

>F >= lang=EN-US >k > | lang=EN-US >q_>1 > | ^.

| q₂ |/r² >,

(5)

>где lang=EN-US >k > = > 1/4 lang=EN-US >πε_>0 >, lang=EN-US >ε_>0 >-

электрическая постоянная, равная 8,85^.10^-12 Ф/м. В

отличие от вакуума для расчета силы взаимодействия зарядов в какой-либо среде

учитывают абсолютную диэлектрическую проницаемость >ε_a >,

равную

>проницаемость

ε_a = >ε_>0^>._> lang=EN-US >ε >, (6)

>где lang=EN-US >ε > - >

относительная (безразмерная) диэлектрическая проницаемость. равная

>ε > = > С_{lang=EN-US >d} >/С_о,

(7)

>где С_{lang=EN-US >d}_{lang=EN-US >}

- >

емкость конденсатора с данным диэлектриком, С_о - емкость

конденсатора в вакууме. Итак, закон Кулона для диэлектриков:

>F > = lang=EN-US >k lang=EN-US >

q₁ ^. q₂/ lang=EN-US >ε_ar^>2 >.

(8)

>В связи

с тем, что для любого вещества ε > >1,

сила взаимодействия зарядов в диэлектрике меньше силы их взаимодействия в

вакууме на том же расстоянии.

>Электрическое

поле. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим

полем. Переменное электрическое поле создается не только зарядами, но и

электромагнитными колебаниями. Напряженность электрического поля Е в данной

точке равна отношению силы F, с которой поле

действует на пробный заряд q, помещенный в эту

точку, к величине этого заряда. Заряд называется пробным, если он достаточно

мал, чтобы не вызвать искажений поля и перераспределения зарядов:

>Е = - lang=EN-US >F >/ lang=EN-US >q >. (9)

>Размерность

Е выражается в Н/Кл или В/м, в обоих случаях численное значение Е одинаково.

>Графически

электрическое поле представляется силовыми линиями. Силовой линией, или линией

вектора напряженности поля, называют линию, у которой в любой точке направление

касательной и вектора напряженности совпадают. Силовые линии начинаются на

положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Они непрерывны и нигде

не пересекаются, число линий, проходящих через единицу поверхности,

перпендикулярной им, пропорционально напряженности. Таким образом, большей

напряженности поля соответствует большая сгущенность силовых линий.

>Напряженность

поля плоского конденсатора вычисляется при известной величине разности

потенциалов U, В на обкладках и расстояния l

между ними:

>Е = lang=EN-US >U >/ lang=EN-US >l >. (10)

>Таким

образом, 1 В/м есть напряженность такого однородного поля, у которого разность

потенциалов на концах отрезка силовой линии длиной 1 м равна 1 В.

>Для

достижения очень высоких значений напряженности электрического поля технически

выгодным решением является использование одной из обкладок конденсатора в виде

поверхности с высокой кривизной (очень малого радиуса) - иглы или лезвия. Тогда

напряженность электрического поля будет определяться в значительной мере

радиусом кривизны поверхности R, м, и слабо зависеть от

1, при этом E ~ >U >/ lang=EN-US >R > (рис

1).

>Как

следует из сравнения рис.1,а и рис. 1,б, для одинаковых значений U и 1

напряженность поля на отрицательной обкладке конденсатора на рис. 1,б будет

выше из-за большей густоты электрических силовых линий. Применение такой схемы

позволяет получить значение Е=10⁹ В/м при нескольких киловольтах

разности потенциалов U, 1=10^-2 м, >R >=10^-8

м.

>Виды

электронной эмиссии в вакууме. Для гипотетического идеального вакуума электрический

ток в межэлектродном промежутке вакуумного диода может возникнуть только при

достаточной эмиссионной активности катода. Концентрация электронов у

поверхности катода зависит от вида электронной эмиссии и от типа катода.

>По

известной классификации электронная эмиссия твердых тел в вакууме разделена на

три вида:

src="MATER2.files/image004.jpg">

>Рис 1.

Влияние формы электродов на локальную напряженность электрического

>поля

>Силовые

линии электростатического поля (____) перпендикулярны эквипотенциальным

поверхностям (- - - )

>-эмиссия

с предварительным возбуждением - термоэлектронная, фотоэлектронная, вторичная

электрон-электронная, вторичная ион-электронная и др. Источниками возбуждения

электронов твердого тела служит энергия тепловых колебаний атомов, кинетическая

энергия налетающих первичных фотонов, электронов, ионов;

>- >

эмиссия без предварительного возбуждения - автоэлектронная, когда в вакуум

выходят невозбужденные электроны, туннелируя через поверхностный барьер;

смешанный вид эмиссии, когда одновременно действуют и возбуждение, и туннельный

эффект, например, термоавтоэлектронная и фотоавтоэлектронная. Особым случаем

термоавтоэлектронной эмиссии является взрывная электронная эмиссия, когда

джоулевый разогрев приводит к микровзрыву материала катода с образованием

плазмы положительных ионов металла и электронов.

>2. >

Физико-химическая природа поверхности

>Атомарно

чистая поверхность. Под атомарно чистой поверхностью подразумевают поверхность

твердых тел в вакууме при давлении остаточных газов не выше Р_ост=

10^-6 Па, с минимальным уровнем примесей и структурно упорядоченную.

Атомарно чистую поверхность можно получить двумя способами: очисткой

загрязненной или получением новой поверхности. К первому способу относится

высокотемпературный кратковременный прогрев (только для тугоплавких металлов),

ко второму - раскалывание кристалла в вакууме (только для полупроводников) и

конденсация из паровой фазы на подложку. Ситуация очень осложняется, если

необходимо получить атомарно чистую поверхность химических соединений, особенно

оксидов, из-за перераспределения компонентов в приповерхностных слоях при

образовании атомарно чистой поверхности.

>Атомарно

чистая поверхность кристаллов ввиду обрыва кристаллической решетки с

образованием нескомпенсированных связей на границе "твердое тело -

вакуум" обладает повышенной свободной энергией по сравнению с объемом.

Понижение свободной энергии с момента образования атомарно чистой поверхности в

течение нескольких часов при Р_{ост =}= 10^-7 Па происходит

в результате изменения порядка расположения межатомных химических связей и

межатомных расстояний. Нарушенная кристаллическая структура нескольких

приповерхностных атомных слоев переходит к упорядоченной структуре объема

постепенно, поэтому можно говорить о поверхностной переходной фазе с отличными

от объемной фазы физическими свойствами. Далее, даже при очень низком давлении

Р = 10^-7 Па происходит адсорбция на атомарно чистой поверхности

компонентов атмосферы остаточных газов. Концентрация примесей на уровне 1%

может быть обнаружена через несколько часов выдержки, а при Р_ост=

10^-4 Па монослой газа образуется за одну секунду. При контакте

атомарно чистой поверхности с атмосферой происходит дополнительное, еще более

сильное, снижение свободной энергии. При адсорбции кислорода, паров воды,

углеводородов, оксидов углерода и т.д. наибольшее снижение свободной энергии

происходит из-за гидратации поверхности при взаимодействии с парами воды.

>Разработка

физико-химических моделей процессов, происходящих на поверхности кристаллов в

вакууме, проводится с использованием понятий "поверхностный центр" и

"поверхностные состояния".

>Поверхность

энергетически всегда неоднородна, и активными поверхностными центрами чаще

всего являются дефекты кристаллического строения: кристаллографические ступени,

места выхода дислокаций на поверхность, атомы примесей, химические

неоднородности, например, в смеси оксидов. В некоторых случаях каждый

поверхностный атом образует поверхностный центр с их общей концентрацией около

10¹⁵ см^--2.

>Состояние,

в котором электрон локализован вблизи поверхности кристалла, называют

поверхностным, а соответствующий энергетический уровень электрона -

поверхностным уровнем. Существует три возможные причины появления поверхностных

состояний: искажение периодического потенциала кристаллической решетки на

поверхности (уровни Тамма), обрыв химических связей с возникновением

ненасыщенных валентностей (уровни Шокли), образование новых химических связей

между соседними атомами за счет разорванных. Различают собственные и примесные

электронные состояния. Собственные возникают при образовании атомарно чистой

поверхности, примесные - при адсорбции примесей из газовой фазы. Использование

понятия "поверхностные состояния" позволяют проводить теоретическое

рассмотрение химических реакций взаимодействия атомарно чистой поверхности с

активными компонентами, сопровождающихся электронными взаимодействиями.

Электронно-донорные или электронно-акцепторные свойства поверхностных состояний

являются определяющими при построении физических моделей и определении

механизмов химических реакций на поверхности.

>Адсорбция

физическая и химическая. Прилипание атомов и молекул газа на поверхности

кристалла называется адсорбцией, удаление - десорбцией, поглощение объемом -

абсорбцией, а перемещение их по поверхности - поверхностной диффузией. Для

молекул абсорбция возможна только после процесса диссоциации (атомизации). Под

абсорбцией понимают или диффузию и растворение в кристалле, или образование

химического . соединения в нем. Основным отличием объемной диффузии от

поверхностной является атомный механизм перемещения, тогда как на поверхности

возможна диффузия атомов, молекул и молекулярных комплексов - кластеров.

>Существует

два способа подвода адсорбирующихся частиц к поверхности - адсорбция из газовой

фазы и диффузионная адсорбция, при наличии диффузионных потоков из объема

кристалла на его поверхность. В последнем случае для веществ, способных

десорбироваться только в молекулярном состоянии, необходима поверхностная

реакция ассоциации адсорбированных атомов в молекулу.

>Термодинамика

адсорбции характеризуется тепловым эффектом и концентрацией частиц на

поверхности, кинетика - скоростью, порядком, энергией активации реакции,

средним временем пребывания частицы на поверхности:

>- >

тепловой эффект адсорбции - Q [Дж/моль],

[эВ/частицу];

>- >

концентрация частиц на поверхности - N [г/см²], [частиц/см²];

>-скорость

адсорбции (поток адсорбции) определяется как первая производная от концентрации

на поверхности по времени процесса V_>адс >= lang=EN-US >dN >/ lang=EN-US >dτ > [г/см^2.с],

[частиц/см²];

>- >

порядок адсорбции может быть равен единице - >n > = 1

(одна связь "адсорбированный атом" - "поверхность") или

двум - n = 2 (одновременно две связи -

"адсорбированный атом" - "поверхность",

"адсорбированный атом" -"соседний адсорбированный атом");

>- >

энергия активации адсорбции - Е_а [Дж/моль], [эВ/частицу].

>- >

среднее время пребывания частицы в адсорбированном состоянии, τ [с],

зависит от температуры поверхности кристалла и от энергии активации десорбции lang=EN-US >E_d >:

>τ > >= > >τ_о lang=EN-US >

exp(+E_d/RT),

>где τ_о

= h/kT >.

>Для Т =

300 К τ_о = 1,6^.10^-13с, для Т=1000 К τ_о

= 4,8^.10^-14с.

>Адсорбция

по величине энергии связи разделяется на физическую и химическую. Физическая

адсорбция является обратимой и характерна для всех веществ, включая инертные

газы. Физически адсорбирующиеся атом и поверхностный атом поляризуют друг

друга. При взаимодействии образовавшихся диполей выделяется теплота адсорбции lang=EN-US >Q_>физ >,

которая весьма мала и составляет 0,1-0,2 [эВ/частицу]. Адсорбирующиеся молекулы

при этом не диссоциируют, так же как отдельные атомы не ассоциируют. Энергия

активации при физической адсорбции не нужна, она равна нулю.

>Многие

молекулы могут участвовать и в физической адсорбции, и в химической. При этом

физическая адсорбция протекает при низкой температуре и является предстадией

химической. Химическая адсорбция (хемосорбция) является необратимой и

характеризуется высокими значениями энергии активации Е_а, равной

нескольким единицам [эВ/частицу]. Она, в свою очередь - предстадия химической

реакции, например, окисления. Теплота химической адсорбции lang=EN-US >Q_>хем >

значительно больше теплоты физической адсорбции >Q_>физ >,

причем энергия активации десорбции E_>дес > равна

>E_>дес > ⁼

Q_хем + Е_а.

>Энергия

активации адсорбции Е_а расходуется на диссоциацию физически

адсорбированной молекулы, т.е. необратимая хемосорбция подразумевает адсорбцию

химически активных атомов, например, кислорода. Десорбция химически

адсорбированных атомов невозможна. Однако, если на поверхности созданы условия

для ассоциации соседних адсорбированных атомов в молекулу, хемосорбция

отдельных атомов исчезает, а физически адсорбированная молекула может десорбироваться.

>Диффузия

в объеме и на поверхности катодов. Под диффузией подразумевается взаимное

перемешивание молекул разных сортов вследствие молекулярного теплового

движения. Для термокатодов ЭВП наиболее важным случаем является диффузия атомов

нескольких сортов в кристаллической решетке металла-основы. К более сложному

случаю относится диффузия в кристаллической решетке химического соединения,

когда концентрация диффундирующих атомов создается в результате его термической

диссоциации. При включении анодного напряжения на процессы диссоциации и

диффузии в материале катода сильное влияние оказывает электрическое поле.

>Диффундирующие

атомы в кристаллической решетке постоянно сталкиваются с окружающими их

атомами. На каждый атом в направлении диффузии действует средняя по времени

сила F [ >H >],

которая, преодолевая сопротивление трения среды, перемещает его со скоростью V

[м^.c^-1]. Частное от деления скорости на силу называется

механической подвижностью:

>U_M >= lang=EN-US >V^>. lang=EN-US >F^>-1 >, м^.Н^-1.с^-1.

(11)

>Если

диффундирующая частица имеет электрический заряд, то в электрическом поле

подвижность относят не к единице силы, а к единице напряженности электрического

поля:

>U_e > = lang=EN-US >V^>. lang=EN-US >E^>-1 > , > м^2.В^-1.с^-1.

(12)

>U_e > = > е lang=EN-US >U_M >.

(13)

>Поток

диффузии можно выразить в размерности массы или числа атомов:

>j >= кг/м²

с, (14)

>j >= 1/ м²

с. (15)

>Соответственно

концентрацию диффундирующих атомов выражают также в единицах массы или числом

атомов:

>N = > кг/м³,

(16)

>N = > 1/м³.

(17)

>Из

первого закона Фика следует, что для постоянной во времени исходной

концентрации поток диффузии пропорционален градиенту концентрации:

>j > = -D^.ΔN/ΔХ.

(18)

>Коэффициент

пропорциональности D называют коэффициентом диффузии, его размерность м^2.с^-1е

зависит от выбранной размерности потока и концентрации.

>По

уравнению Эйнштейна диффузия связана с подвижностью следующим уравнением:

>D >= lang=EN-US >nk_>Б lang=EN-US >T >,

(19)

>где lang=EN-US >k_>Б >- >

постоянная Больцмана, Т - температура.

>Если

исходная концентрация N во времени т меняется, то с учетом скорости ее

изменения диффузия описывается вторым законом Фика:

>dN >/ lang=EN-US >dτ > = D^. lang=EN-US >d^>2 lang=EN-US >N >/ lang=EN-US >dx^>2 >.

(20)

>Таким

образом, на диффузию в материале термокатода электрическое поле межэлектродного

промежутка влияет путем изменения подвижности электрически заряженных частиц.

>Библиографический

список

>1. >

Ашкинази Л.А. Катоды для электровакуумных приборов СВЧ. Итоги науки и техники.

1985. Т. 17. C. 311-343.

>2. >

Ашкинази Л.А. Термо-и вторично-электронные катоды для электровакуумных и

газоразрядных приборов. Обз. по эл.техн. Сер.1. СВЧ-техника. ЦНИИ Электроника.

1992. ? 5.

>3. > Ашкинази

Л.А., Коржавый А.П. Термоэлектронные и вторично-электронные катоды для ЭВП.

Обз. по эл. техн. Сер.6. Материалы. 1986, ? 8.

>4. >

Ашкинази Л.А., Логинов Л.В. Термоэлектронные и вторично-электронные катоды. Ч.

1. 1981. Ч. 2. 1982. М: Информэлектро.

>5. >

Ашкинази Л.А., Соболева Н.А, Термоэлектронные, вторично-электронные и

фотоэлектронные катоды. Итоги науки и техники. 1983. Т. 15. С. 154-216.

>6. >

Киселев А.П. Катоды и катодные узлы долговечных электронных приборов. Обз. по

эл.техн. Сер.1. СВЧ-техника. 1992. ? 11.

>7. >

Киселев А.Б., Галина Н.М. Влияние конструктивно-технологических факторов на

время разогрева катодно-подогревательных узлов электровакуумных приборов.

Эл.техн. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1990. ? 8 с. 3-10.

>8. >

Киселев А.Б., Марченко Н.Н. Катодно-подогревательные узлы для многолучевых

элекгронных приборов. Эл.техн. Сер. 1. Электроника СВЧ 1991. ? 9. С. 3-15.

>9. >

Коржавый А.П., Редега К.П. Материалы для катодов с низким значением первого

критического потенциала. Обз. по эл.техн. Сер. 6. Материалы. 1987. ? 2. ЦНИИ

"Электроника". М.

>10.

Кресанов B. >C >.,

Малахов Н.П., Морозов В.В. и др. Высокоэффективный эмиттер электронов на основе

гексаборида лантана. М.: Энергоатомиздат, 1987.

>11.

Кудинцева Г.А., Мельников А.И., Морозов А.В. и др. Термоэлектронные катоды.

М.-Л.: Энергия, 1966.

>12.

Куницкий Ю.А., Морозов В.В., Шлюко В.Я. Высокотемпературные электродные

материалы. Киев: Вища школа, 1977.

>13. > Мойжес

Б.Я. Физические процессы в оксидном катоде. М.: Наука, 1968

>14. >

Никонов Б.П. Оксидный катод. М.: Энергия, 1979.

>15. > Петров

B.C., Шмыков А.А. Материалы

электронных эмиттеров МИЭМ. М" 1986.

>АШКИНАЗИ

Леонид Александрович ПЕТРОВ Владимир Семенович

>Материалы

электронных эмигтеров Термоэлектронные катоды

>Редактор

Е.С. Резникова Технический редактор О Г Завьялова

>Л.Р.

?020304 28.11.1991г.

>И.Б.З

>Подписано

в печать 30.06.97. Формат 60х84/16. Бумага офсетная ?2. Ризограф. Усл. печ. л.

4,25. Усл. кр.-отт. 4,25. Уч - изд. л. 3.83. Изд. ?34. Тираж 75 экз. Заказ 112 Московский

государственный институт электроники и математики. 109028, Москва, Б.

Трехсвятительский пер., 3/12. Печатный цех Московского государственного

института электроники и математики 113054, Москва, М.Пионерская ул., 12

Комментарии: 2, последний от 13/10/2019.

Обновлено: 15/02/2013. 300k. Статистика.

Учебник: Естеств.науки

Связаться с программистом сайта.

Ашкинази Леонид Александрович Материалы электронных эмиттеров (Часть I I. Термоэлектронные катоды)

Ашкинази Леонид Александрович
Материалы электронных эмиттеров (Часть I I. Термоэлектронные катоды)