Ашкинази Леонид Александрович
Материалы электронных эмиттеров

Lib.ru/Современная литература: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Помощь]
  • Оставить комментарий
  • © Copyright Ашкинази Леонид Александрович (leonid2047@gmail.com)
  • Обновлено: 17/02/2009. 299k. Статистика.
  • Учебник: Естеств.науки
  • Иллюстрации/приложения: 1 штук.
  • Оценка: 8.32*10  Ваша оценка:

    МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

    Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет)

     

    Л.А.АШКИНАЗИ

     

    МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭМИТТЕРОВ

     

    Учебное пособие

     

    Москва 2007

     

    ББК 32. 852.3 А 98

     

    УДК 621.385.7.217.3.001.5

     

     

    Рассматриваются электронные катоды, их типы и параметры, физическая модель, нагрев катода, взаимодействие катод-прибор, эмиссионная активность катодов, низкотемпературные и высокотемпературные катоды, автоэлектронные катоды, фотоэлектронные катоды, катоды с эмиссией горячих электронов.

    Предназначено для студентов дневного и вечернего отделений специальности 2004 "Электронные приборы и устройства".

     

    љ Ашкинази Л.А., 2007

     

    Оглавление

     

    Введение

    1. Общая модель работы катодов

    2. Термоэлектронные катоды

                2.1. Общее описание

                2.2. Типы катодов

                2.3. Проблема стандартизации испытаний

    3. Применение металлов и сплавов для термокатодов

    4. Высокотемпературные катоды

                4.1. Высокотемпературные оксидные катоды

                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

    10.  Автоэлектронные катоды

    10.1.  Общие сведения

    10.2.  Влияние работы выхода на работу катода

    10.3.  Влияние рельефа на работу катода

    10.4. Применения

    10.5. Катоды со взрывной эмиссией

    11. Катоды с эмиссией горячих электронов, инициируемой током

    11.1. Общие сведения

    11.2. Эмиссия из островковых пленок

    11.3. Эмиссия из р-п переходов

    11.4. Катоды со структурой металл - диэлектрик - металл (МДМ)

    11.5. Катоды с отрицательным электронным сродством

    12. Фотоэлектронные катоды

    12.1 Общие сведения

    12.2. Параметры фотоэлектронных катодов

    12.3. Фотокатоды для работы в ультрафиолетовой части спектра

    12.4. Фотокатоды для работы в видимой части спектра

    12.5. Фотокатоды для работы в инфракрасной области спектра

    12.6. Фотокатоды с отрицательным электронным сродством

    12.7. Нетрадиционные фотокатоды

    12.8. Вторично-электронные эмиттеры в фотоприборах

    13. Вторично-эмиссионные электрон-электронные катоды

    13.1. Общее описание

    13.2. Полупроводниковые катоды

    13.3. Щелочногалоидные соединения и композиции с ними

    13.4. Сплавы и чистые металлы (неокисленные)

    13.5. SbCs и мультищелочные  -  SbNaKCs и др.

    13.6.  Полимеры

    13.7. Катоды на основе окислов

    14.  Антиэмиттеры

    15. Ионно-электронные эмиттеры

    16. Моделирование процессов в термокатодах

     

    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 были изданы обзоры [11-14], более ранние ссылки можно найти в работах [6-10]. Данное пособие содержит в себе материал пособия [15].

     

    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).

     

     

    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 W2C , 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 Pt-Ba. В группе Ir-РЗМ оказались наиболее эффективны Ir-La, Ir-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/см2.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,Re,Os) - РЗМ, чаще всего из этих катодов применяются IrLa, IrCe. Для катода IrLa при 1430-1830№С эмиссия 8-130 А/см2, скорость испарения 10-11-1,5.10-8 г/см2.с. Для IrCe-катода соответственно 10-150 А/см2 и 10-12-1,5.10-9 г/см2.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 - Ir-La. Более подробно это перспективное направление не разрабатывалось.

     

    В некоторых случаях на поверхности катодов Ir-РЗМ обнаружен кислород (IrCe-, 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 ThO2, 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 ThO2. 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 ThO2) 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 ThO2 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 W2C. После этого энергия связи тория с подложкой увеличивается (с W2C 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 W2C 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 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 ThO2, 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-c 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 10-5-10-2 Па, 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 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 ZrB2, 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 ZrB2. 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 TiB2 из титана и LaB6; лантан испаряется, a 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 La2C, а La2C - гидратироваться на воздухе с выделением Н2C2 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/см2.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-кятод 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 La2O3 с 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 SrO. Твердые растворы (LaPr)B6 и (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 La2O3 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 1б50№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/см2.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,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+Cs, 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 BaO-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-SrO-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 10-1 Па. 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 SrO-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 моноослое 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-SrO-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-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 сосгавляют 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/см2.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 (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) Iк - ток катода; Wн - мощность накала:

    а) - от кривой 1 к кривой 3 уменьшается доля эмитирующей поверхности. ΔWн - 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 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, Аl2О3, 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 Sc2О3, а смеси вольфрама и Sc2О3. Предполагают, что на поверхности Sc2О3 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-O-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 t-1/2. После 100 ч работы при 1000-1200№С поток массы составляет 3.10-11-7.10-10 г/см2.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-, 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. ВN-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; LaB6 - 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 LaB6-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 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 (H2). 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 MoSi2 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 LaB6 с толщиной эмиттера 5 мм и диаметром 80 мм остывает слишком медленно. В результате при прорыве атмосферы LaB6 успевает окислиться до La2O3 и B2O3, 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 СO2 и Н2O 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-, LaB6- 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 (LaB6 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-La2O3-катода, для LaB6-катода (окисление лантана и бора и быстрое испарение La2O3, В2O3).

     

    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 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, LaB6-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 - LaB6, 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, WBa и ему подобные - 900-1100№С, LaB6 - 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 мьнее 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 (Аl2О3) 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 WBa-катодным, т.к. при более высоких температурах вольфрам реагирует с керамикой. Позже оказалось, что при 1500№С существует диэлектрик (Y2O3), относительно медленно взаимодействующей и с вольфрамом, и с LaB6.

     

    Таким образом, удалось сделать контактный нагреватель и для LaB6-катода, хотя лиiь 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 Аl2О3 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 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 LaB6, 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.

     

    10.  Автоэлектронные катоды

     

    10.1.  Общие сведения

     

    Автоэлектронные катоды  -  это катоды, эмиссия электронов из которых происходит под действием сильного электрического поля. В полях свыше 106 В/см потенциальный барьер на границе эмиттера и вакуума становится достаточно тонок для возникновения туннельной или автоэлектронной эмиссии (автоэмиссии). Автоэмиссия зависит от поля и работы выхода, причем обе зависимости весьма сильны, что иллюстрируется таблицей, в которой приведены некоторые значения плотности автоэлектронного тока в А/смв зависимости от поля в В/см и работы выхода в эВ.

              

              Поле \  Работа выхода         2,0                 4,5                 6,3

          ------------------------------------------------------------------------------------------                            

                                 107                                       103                  2х10-17                    - 

                              2х107                               2,5х107             5х10-4                   10-13                                                                     

                              5х107                                       -                    4х106                   2х102

                                108                                          -                      6х108                  5х106

                              2х108                                       -                           -                         2х109

           -----------------------------------------------------------------------------------------

    (величины, которые реально не могут быть получены или не могут быть измерены, опущены).

     

    Автоэмиссия зависит также, хотя и слабо, от температуры. Так, в области "технически интересных" плотностей тока (более  106 А/см2 на поверхности эмиттера) при работах выхода в области 5-6 эВ автоэлектронный ток увеличивается на 10% при увеличении температуры от 0К  до 700-900К. Разумеется, при увеличении температуры до значений, при которых становится существенной термоэмиссия, мы получаем смесь двух видов эмиссии, которую, естественно, называют термоавтоэмиссией. Катоды могут работать в этой области параметров, но основные преимущества автоэмиссии (отсутствие накала) и термоэмиссии (малые напряжения) в этом случае отсутствуют.

     

    Максимальные плотности тока, которые могут быть получены в режиме автоэмиссии, ограничены разогревом эмиттера протекающим через него током и разрушением эмиттера электрическим полем. Заметим, что таким же разогревом ограничена плотность тока, отбираемого с полупроводниковых термокатодов, но величины сопротивления  -  и, следовательно, предельные токи  -  различаются на много порядков. В режиме автоэмиссии получают токи порядка 107 А/см2 (на поверхности эмиттера) в стационарном и 109 А/см2 в импульсном режимах. При попытке в стационарном режиме получить больший ток эмиттер разрушается, и тем самым режим уже становится "нестационарным". В импульсном же режиме при попытке увеличситть ток эмиттер начинает работать в ином режиме, так называемом "режиме взрывной эмиссии", который мы рассмотрим ниже.

     

    В качестве материалов автокатодов применяются чаще всего металлы или соединения с металлическим типом проводимости  -  как ввиду низкого сопротивления, так и ввиду высокой прочности. Однако в некоторых случаях возможно использование и полупроводников. Для них предельная эмиссия меньше, ток в некоторых случаях зависит от температуры и освещенности, а энергетическое распределение эмиттированных электронов шире из-за проникновения поля в материал эмиттера.

     

    10.2.  Влияние работы выхода на работу катода

     

    Сильная зависимость автоэмиссии от работы выхода влечет за собой нестабильность работы автокатода. Ситуация аналогична той, которая возникает при эксплуатации термокатода в режиме насыщения. Разница, однако, состоит в том, что у термокатода в режиме насыщения есть еще одна "ручка управления"  -  температура. И можно компенсировать влияние изменений работы выхода на токоотбор посредством управления температурой (через мощность накала). Такие схемы реализованы, и они обеспечивают необходимую стабильность токоотбора, заодно позволяя получить минимальную температуру катода и наивысшую экономичность. У автокатода нет удобной дополнительной "ручки управления" -  управлять высоким напряжением сложно. В частности поэтому проблема стабильности работы для автокатодов становится очень важной.

     

    Работа выхода поверхности зависит как от процессов, происходящих на поверхности в высоком вакууме, так и от влияния недостаточно высокого вакуума. "Собственные" процессы  -  это диффузия, миграция, перестройка поверхности. Что касается диффузии, то она влияет не сильно, так как в качестве автоэмиттеров применяются чаще всего элементы (W, C), а не соединения. Но даже если применяются соединения (LaB6), то испаряющиеся конгруэнтно и поэтому имеющие стабильный состав поверхности. Техника термокатодов в борьбе за уменьшение работы выхода пошла по пути сложных соединений, поэтому роль диффузии в термоэмиссии значительно больше. Когда в качестве автоэмиттеров применяются соединения, диффузия тоже может сказываться на работе выходы и эмиссии.

     

    Ситуация с миграцией сложнее. Миграция может изменять локальный состав  -  если на поверхности есть атомы более, чем одного сорта. Миграция может быть одним из процессов в ходе перестройки поверхности с изменением набора граней, выходящих на поверхность, и, следовательно, работы выхода. Высокие поля, в которых работает автокатод, способствуют перестройке поверхности, а нагрев протекающим током (если он достаточно велик) ускоряет миграцию (как и диффузию). Перестройка поверхности в поле применяется и для управления формой автоэмиттера.

     

    Влияние недостаточно высокого вакуума состоит в том, что остаточные газы сорбируются автоэмиттером, изменяя его работу выхода. Причем наиболее часто применяемый материал  -  вольфрам  -  хорошо сорбирует газы. Это повлекло за собой многочисленные попытки применения металлов, не так хорошо сорбирующих газы, например, рения или еще более пассивного углерода, имеющего, к сожалению, большое сопротивление. Предлагалось, естественно, и покрывать металл пленкой углерода.

     

    Уменьшать сорбцию газа на поверхности можно постоянным небольшим нагревом автоэмиттера или периодическим сильным импульсным нагревом для очистки поверхности. В целом современные автокатоды обычно требуют для стабильной работы вакуума на один-три порядка более высокого, чем термокатоды.

     

    10.3.  Влияние рельефа на работу катода

     

    Второй после работы выхода параметр, от которого сильно зависит автоэмиссия  -  напряженность электрического поля на эмиттере. Она, в свою очередь, зависит от среднего поля в приборе (отношение внешнего напряжения к величине зазора) и геометрии эмиттера, ибо для увеличения поля на эмиттере применяются, как правило, "острые" эмиттеры  -  выступы, нити, острия, лезвия, торцы трубок или их системы  -  пучки нитей, пакеты лезвий и т.п. Внешнее напряжение и зазор в приборе обычно сами собой не изменяются, и их стабильность не является определяющим фактором. Попутно заметим, что высокая чувствительность автоэмиссии к внешнему напряжению позволяет создать прибор с высокой крутизной преобразования напряжения в ток (простейший автоэмиссионный диод).

     

    Ключевым вопросом техники автоэмиттеров является создание и стабилизация "острого" рельефа поверхности. Технологически острый рельеф создается чаще всего электрохимическим травлением, так как чисто механически получить острие или лезвие с радиусом в десятые доли мкм затруднительно. Второй возможный способ  -  изготовление не "острого" объекта, а "тонкого" с последующим его изломом. Например, тянутся нити или пучки нитей, их срез или слом становится группой "острий". Или берется тонкая фольга, а ее торец, образующийся при разрезании или разрывании, становится "острым". Использование торцов тонких нитей в качестве автоэмиттеров сопровождается интересным эффектом: нити некоторых материалов (в частности, углерода) при работе в высоких полях расщепляются, превращаясь в пучок еще более тонких "суб-нитей".

     

    Третий способ получения "острого" рельефа  -  это непосредственное выращивание острий из пара по механизму пар-жидкость-кристалл, когда на подложке из конденсирующегося пара растут тонкие перпендикулярные подложке острия.

     

    Четвертый способ  -  напыление через маску, при котором можно получить на подложке острые конусы.

     

    Поддержание "остроты" рельефа во время работы является важной проблемой автокатодов. Во-первых, на рельеф влияет перестройка поверхности в поле, ускоряющаяся при нагреве. Причем, нагрев без поля вызывает сглаживание, а в больших полях происходит "обострение". Отсюда понятно, что формой "острий" можно управлять, и такой метод действительно применяется практически.

     

    То, что в качестве эмиттеров используются не плоскости (как в термокатодах), а острия, имеет важное следствие  -  непараллельность траекторий электронов. Область высокого поля, в котором электроны приобретают основную энергию, лежит вблизи острия, и поэтому компонента скорости, лежащая параллельно плоскости эмиттирующего электрода и, стало быть, перпендикулярно среднему полю, оказывается велика и может быть даже сравнима с продольной компонентой. Пучок получается расширяющимся, "веерным", а если катод многоострийный или многолезвийный, то пучок получается неламинарный, с пересекающимися траекториями электронов. Это имеет два следствия.

     

    Во-первых, автокатод нельзя, как правило, просто поставить в прибор, предназначенный для использования с термокатодом. Это верно даже для классических низкочастотных электронных ламп (диодов, триодов, пентодов и т.д.) и тем более для СВЧ-приборов, которые почти все работают со сфокусированными, определенным образом сформированными, чаще всего протяженными и часто  -  ламинарными электронными пучками. Для использования автокатода надо, как правило, специально разрабатывать прибор, и он будет отличаться от прибора, рассчитанного на работу с термокатодом. Только в лампе с параллельными и близкими анодом и катодом (и сетками) термокатод и многоострийный автокатод будут работать примерно одинаково. 

     

    Во-вторых, можно попробовать организовать на поверхности одноострийного автокатода "эмиссионный рельеф"  -  т.е. неоднородность работы выхода (аналогичное решение применяется и в термокатодах). Эмиссионный рельеф в автокатодах может образовываться за счет двух процессов. Во-первых, за счет огранки поверхности. Острие оказывается состоящим из разных кристаллографических граней, и разные грани по разному эмиттируют. Во-вторых, за счет избирательной сорбции. Например, цирконий сорбируется по разному на разных участках (гранях) вольфрамового острия, избирательно понижая работу выхода. В целом удается уменьшить угол расхождения пучка, для обычных автокатодов составляющий от 60 до 100, до примерно 10.

     

    10.4. Применения

     

    По величине плотности тока при малых размерах источника (электронная яркость, точечность источника) автоэлектронные катоды не имеют равных, и в областях, где именно эти параметры имеют значение, применение автокатодов позволило получить качественно новые параметры приборов. Особенно важным оказалось применение автокатодов в электронной микроскопии предельного разрешения и в электронно-лучевой технологии. Перспективно, по-видимому, применение таких катодов в некоторых видах дисплеев и "неклассических" электронных приборов  -  электронно-лучевых анализаторов, ионизаторов, ускорителей.

     

    Свойства автокатодов имеют интересные следствия для приборов СВЧ. Например, малогабаритность позволяет применять их в СВЧ-приборах самых высоких частот, а высокая крутизна зависимости тока от напряжения  -  получить при синусоидальном напряжении короткие монохроматические сгустки электронов, эмиттируемые в области максимума напряжения. Однако пока имеются лишь отдельные попытки применения в них автокатодов, точнее  -  разработки СВЧ-приборов с автокатодами. Такая разработка требует изменения сложившейся системы разделения труда между катодниками и прибористами, видимо поэтому внедрение автокатодов в СВЧ-приборы идет медленно.

     

    Во многих случаях применений автокатодов важны не только (или не столько) значения плотности токов и электронной яркости, сколько полный ток. Для одноострийного катода он довольно скромен, несмотря на большую плотность тока  -  ведь все эти 107 - 109 А/см2 отбираются с субмикронной площади. Для напряжений порядка 1-10-100 кВ, если мы хотим работать в стационарном режиме и отбирать даже ток предельной плотности 107 А /см2,  полный ток с одиночного острия составляет 10-3-10-1-10 А И для низкочастотной лампы, и для СВЧ-прибора обычные значения тока при этих напряжениях будут в 100-1000 раз больше. Поэтому для конкуренции с термокатодами в приборах этих классов автокатоды должны быть многоострийными. Число острий должно быть десятки тысяч с учетом того, что в области предельных плотностей тока работа всегда нестабильна. В импульсном режиме ситуация аналогична, хотя отношение "традиционных" токов приборов к предельным токам автокатодов несколько меньше.

     

    При этом идти по пути увеличения напряжений нельзя; техника, "привыкшая" работать с электронными лампами при напряжении порядка 1 кВ (обычные)  -  10 кВ (мощные) и СВЧ-приборами при 10 кВ (обычные)  -  100 кВ (мощные)  -  300 кВ (сверхмощные) не согласится на приборы  -  даже очень хорошие  -  с рабочим напряжением в мегавольты, ибо это будет означать переделку всех устройств, где стоят эти приборы. Иное дело  -  ситуации с неклассическими приборами, когда все делается заново и нужен "ток любой ценой". Такой прибор (сверхмощный импульсный генератор электронов) может иметь рабочее напряжение и в мегавольты, ибо прибор этого класса создается заново, конкурентов у него нет, и сравнивать его не с чем.

     

    Многоострийные автокатоды позволяют увеличить ток и довести его до значений, обычных для электровакуумной техники. При этом преимущество  -  отсутствие цепи накала и мгновенная готовность к работе  -  сохраняются. Требование более высокого вакуума можно считать непринципиальным, ибо технология получения вакуума все время усовершенствуется. Термокатоды допускают низковольтное или сеточное управление  -  размещенная над катодом сетка позволяет управлять эмиссией посредством приложения относительно малого  -  единицы или десятки вольт  -  напряжения. Этот способ управления применяется во всех низкочастотных электронных лампах и в некоторых СВЧ-приборах. Над многоострийным автокатодом можно расположить сетку, согласовав отверстия в ней с остриями, но напряжение на ней, необходимое для управления эмиссией, будет слишком велико. Для получения приемлемого напряжения (хотя бы в сотни вольт) зазор между вершинами острий и сеткой должен составлять единицы микрон.

     

    Такой катод был изготовлен, причем методами микроэлектроники, хотя и предназначался для вакуумной техники. На проводящей подложке с помощью последовательных напылений, травлений через слой фоторезистов и окислений формировалась следующая структура: слой изолятора толщиной порядка мкм с отверстиями диаметром порядка мкм, расположенными с шагом в несколько мкм и доходящими до проводящей подложки, тонкий слой проводника, покрывающий этот изолятор (и не закрывающий отверстия в нем), а на дне каждого отверстия  -  т.е. на подложке  -  проводящий конус, доходящий по высоте до уровня металлического слоя на изоляторе. Т.е. образовывалась решетка колодцев с автоэмиттером (конусом) на дне, доходящим до его края и с проводящим покрытием на краю каждого колодца, т.е. управляющей сеткой. С таких структур были получены средние по площади токи до 100 А/см2, а при средних токах в единицы А/см2 были получены значения срока службы в десятки тысяч часов. Управляющее напряжение на "сетке" составляло при этом около 200 В. Такой катод вполне сопоставим по своим параметрам с термокатодами, при этом он не нуждается в накале, но имеет большие поперечные скорости электронов.

     

    В настоящее время кажется, что для автокатодов более перспективно "выращивание" на своей основе специфических вакуумных приборов, а не замена термокатодов, тем более что и термокатоды совершенствуются. Но многоострийные (монолитные) катодно-сеточные узлы весьма интересны. Впрочем, по близкой технологии изготавливаются и катодно-сеточные узлы с термокатодами. На вольфрам-бариевый катод наносится слой изолятора  -  нитрида бора  -  с отверстиями, а поверх него  -  управляющая сетка.

     

    10.5. Катоды со взрывной эмиссией

     

    Что произойдет при попытке получить очень большой ток с автоэлектронного катода, поднимая все выше и выше напряжение? При этом такие катоды переходят в режим взрывной эмиссии. Внешне этот переход не очень заметен, поэтому различать эти два вида эмиссии стали позже, чем использовать. При взрывной эмиссии автоэлектронный ток нагревает эмиттер, он за несколько единиц или десятков наносекунд испаряется, причем пары частично ионизируются, а токоотбор происходит с поверхности стремительно расширяющегося (со скоростью " 104 м/с) облака плазмы (атомов, ионов и электронов). Когда это облако долетает до противоположного электрода, оно замыкает зазор  -  это и называется вакуумным пробоем.

     

    Взрывная эмиссия принципиально отличается от автоэмиссии тем,  что при ней расходуется материал эмиттера. Этот расход может быть, однако, и не велик, и также катоды могут выдерживать десятки тысяч импульсов и даже более. Таким образом, автоэлектронная эмиссия является первой стадией взрывной эмиссии. Взрывная эмиссия может быть получена не только с твердого тела. Известны эксперименты, в которых взрывная эмиссия получалась с вершин волн на поверхности жидкого металла.

     

    Строго говоря, для существования взрывной эмиссии  -  точнее, ее сильноточной фазы, т.е. эмиссии из плазмы  -  неважно, откуда эта плазма взялась. Поэтому можно любым способом создать плазменную поверхность, а потом, приложив перпендикулярное к ней поле, вызвать эмиссию из плазмы. В качестве источника плазмы использовался сам вакуумный пробой (разряд в парах материала электрода в вакууме) или разряд по поверхности диэлектрика в вакууме, т.е. плазменное облако над поверхностью диэлектрика, материалом для которого послужил десорбированный с поверхности диэлектрика газ и сам материал диэлектрика.

     

    Катоды со взрывной эмиссией применяются тогда, когда требуются большие токи и являются желательными или, по крайней мере, допустимыми малая длительность импульса и высокое напряжение. Характерные величины  -  ток до 200 кА, напряжение до 3 МВ, длительность импульса до 100 нс. Эмиттером служит либо довольно тупое "острие" (радиус закругления  -  десятые доли мм), либо просто "гладкий" электрод, работающий за счет естественной шероховатости. Области применения  -  генерация электронных пучков с указанными выше параметрами для ускорительной техники, для генерации сверхмощного рентгеновского и оптического излучения и др.

     

    Вопросы к разделу 1.

    1. В таблице в начале раздела опущено 5 значений. Какие из них не могут быть получены и какие не могут быть измерены и почему?

    2. Почему большие электрические поля разрушают эмиттеры?

    3. Почему автоэмиссионная техника, а в отличие от термоэмиссионной, пошла не по пути применения сложных соединений и систем с низкой работой выхода?

    4. Многоострийный автоэлектронный катод представляет собой цилиндры одинаковой высоты и одинакового диаметра, расположенные с некоторым шагом на поверхности постоянной общей площади. Какой шаг необходим, чтобы получить максимальный ток с этой общей площади?

    5. Пусть автокатод представляет собой одиночный медный цилиндр диаметром 10 мкм и длиной 1 см. При каждом импульсе распыляется количество материала, достаточное для создания в объеме прибора 1 л давления 10-8 торр. Сколько импульсов выдержит катод, если для сохранения его параметров надо, чтобы испарилось не более 10% длины эмиттера? Если ток эмиссии составляет 100 А и длина импульса составляет 100 нс, то какая часть испаряющихся атомов ионизирована (считать ионизацию однократной)?

    6. При прочих равных условиях с какого острия  -  из вольфрама или из меди  -  будет меньше расход вещества при импульсе взрывной эмиссии?

     

    11. Катоды с эмиссией горячих электронов, инициируемой током

     

    11.1. Общие сведения

     

    Термоэлектронная эмиссия определяется величиной потенциального барьера на выходе из твердого тела и энергией пытающихся его преодолеть электронов. Заметим, что важна энергия электронов, а не атомов (ионов) твердого тела. Почему же для получения эмиссии нагревают твердое тело (это и называется термоэмиссией)? Потому что это  -  простейший способ нагреть электроны  -  через их обмен энергией с решеткой. Но можно попытаться нагреть электроны и не прибегая к нагреву решетки. Поскольку электроны  -  заряженные частицы, то наиболее простой способ их "нагрева", т.е. передачи им энергии, состоит в воздействии на них электрическим полем. Таким образом, задача создания катода с эмиссией горячих электронов  -  это, прежде всего, задача создания в проводнике или полупроводнике большого электрического поля. Для этого проводник и полупроводник надо "испортить", уменьшив их проводимость, ибо иначе через них в этом большом поле пойдет большой ток, и катод окажется неэффективен.

     

    11.2. Эмиссия из островковых пленок

     

    Один из способов "испортить" металл  -  это разделить его на отдельные частички. Если зазоры между ними будут невелики,  порядка 100 A (10 ммк), электроны будут туннелировать из одной частички в другую, и так будет осуществляться проводимость. Но ток по сравнению с током через монолитный металл в том же поле сильно уменьшится, т.е. сопротивление возрастет. Это дает возможность увеличить поле. Тогда энергия электронов увеличится настолько, что они окажутся способными преодолеть потенциальный барьер и покинуть катод, уходя в вакуум. Реально катоды с эмиссией горячих электронов выполняются в виде диэлектрической подложки, на которую напылена тонкая пленка металла или полупроводника. При малых толщинах пленки обычно получаются "островковые", т.е. состоящие из отдельных маленьких кристалликов, разделенных зазорами. Изменением скорости напыления, количества напыленного вещества, температуры подложки, энергии напыляемых атомов и доли ионов среди них можно управлять размером как островков, так и зазоров. Для облегчения выхода электронов из катода последний часто покрывается весьма тонкими (примерно моноатомными) пленками веществ, понижающих работу выхода (цезия, окиси бария). В качестве вещества основной пленки обычно используют золото, окись олова и окись бария. При этом в оксидах олова и бария играет роль не только "островковость" пленки, но и собственные свойства оксида (низкое отношение электронного сродства к энергии ударной ионизации).

     

    Лучшие полученные параметры выглядят обнадеживающе  -  достигнут токоотбор 1 А/смв течение длительного времени и 10 А/см2  -  кратковременно. При этом эффективность  -  отношение тока эмиссии к току, вводимому в пленку  -  может приближаться к 100%.

     

    11.3. Эмиссия из р-п переходов

     

    При подаче на полупроводник с р-п переходом обратного напряжения в нем образуется область с сильным полем. При наличии дрейфового тока неосновных носителей они разогреваются и становится возможной их эмиссия. Эти носители  -  обычно электроны, генерируемые в р-области на расстоянии диффузионной длины. Для увеличения эмиссии поверхность такого катода (как и дисперсных пленок) покрывают монослоем окиси цезия или окиси бария. При этом электроны могут эмиттироваться как через слой п-полупроводника (т.е. в направлении полученной от поля скорости, так и поперек, после рассеивания.

     

    В катодах с эмиссией из р-п переходов достигнуты высокие плотности тока  -  до 100 А/см2, но пока при очень низкой эффективности  -  10-3,  максимум  -  10-2. Таким образом, ток через переход превышает эмиттируемый в 1000 (минимум  -  в 100) раз, что для практики неприемлемо.

     

    11.4. Катоды со структурой металл - диэлектрик - металл (МДМ)

     

    Такой катод состоит из металлической подложки, нанесенной на нее тонкой диэлектрической пленки и металлической пленки поверх нее. Напряжение прикладывается между подложкой и пленкой. Если диэлектрическая пленка достаточно тонка, чтобы электроны могли туннелировать через нее (100 - 1000 A), а металлическая пленка достаточно тонка, чтобы туннелировавшие и ускоренные полем электроны могли пройти сквозь нее (30 - 300 A), то они могут выйти в вакуум. Таким образом, механизм работы катода напоминает механизм работы островковой пленки, но роль островков играют подложка и металлическая пленка, а вакуумного зазора между островками  -  диэлектрическая пленка. Верхняя металлическая пленка для увеличения эмиссии обычно покрывается монослоями цезия или окиси бария. В качестве диэлектрика используются обычно оксиды или нитриды, материал верхнего электрода  -  чаще всего алюминий или золото.

     

    Достигнуты значения плотности тока до 1 А/смпри низкой эффективности  -  0,01, или большая эффективность  -  0,1, но при меньшей плотности тока.

     

    В заключение подраздела рассмотрим ситуацию по катодам с эмиссией горячих электронов в целом. Всем этим катодам свойственны недостатки  -  широкий спектр энергий эмиттированных электронов, часто  -  высокие шумы, нестабильная работа. Параметры большинства систем не достигли уровня, при котором они заинтересуют разработчиков приборов. По этой причине в нашем курсе им уделено относительно мало места. Но основные идеи, положенные в их основу,  достаточно физически интересны для того, чтобы их знать.

     

    11.5. Катоды с отрицательным электронным сродством

     

    На границе твердого тела и вакуума существует потенциальный барьер. Для электронов в зоне проводимости полупроводника высота этого барьера определяется величиной электронного сродства  -  разностью энергий между дном зоны проводимости и вакуумом. При нанесении на поверхность полупроводника моноатомных слоев электроположительных атомов или молекул с большим дипольным моментом происходит понижение работы выхода (расстояние от уровня Ферми до уровня вакуума), а следовательно, и электронного сродства. Обычно наносят Cs, BaO, Cs2 O и др., при этом в некоторых случаях электронное сродство может стать отрицательным. Это означает, что электрон в зоне проводимости полупроводника может свободно выйти ("вывалится") в вакуум, если он окажется в зоне проводимости и на расстоянии от поверхности, меньшем диффузионной длины.

     

    Например, если переброс электрона в зоне проводимости обусловлен освещением полупроводника и этот электрон продиффундировал к поверхности и эмиттировал, то мы имеем фотокатод с отрицательным электронным сродством.

     

    Если освещение полупроводника производится фотодиодом, выполненном "в одном устройстве" с использующим фотовозбуждение катодом с отрицательным электронным сродством, то мы получаем катод с отрицательным электронным сродством, имеющий внутри себя два преобразователя  -  тока в свет и обратно.

     

    Рассмотрим другую возможность использования катода с отрицательным электронным сродством. Пусть катод содержит полупроводник с р-п переходом с тонкой р-областью, которая граничит с вакуумом, и поверхность р-области обработана так, чтобы достигалось отрицательное электронное сродство. Тогда при подаче прямого смещения на р-п переход в р-область инжектируются электроны, которые, преодолев р-область, могут выйти в вакуум.

     

    Катоды этих двух типов реализованы, и получены плотности тока, близкие к представляющим интерес  -  порядка 1 А/см2. Но по этим катодам существуют лишь одиночные работы, и перспективы их применения неясны. Основное применение катоды с отрицательным электронным сродством получили как катоды со вторичной электронной эмиссией и как фотокатоды, о чем будет рассказано ниже.

     

    Вопросы к разделу 11

    1. При напылении тонкой пленки сначала получается островковая структура, а при некоторой толщине островки смыкаются.

    Увеличится или уменьшится эта толщина, если к напыляемым атомам добавить некоторое количество ионов? А если электронов?

    2. С какой глубины могут эмиттироваться электроны из катода с р-п переходом при эмиссии поперек поля?

    3. Как вы полагаете, имеет ли смысл попытаться увеличить токоотбор с МДМ-катодов выполнением верхнего электрода в виде сетки? Каков должен быть шаг ее нитей (фактически  -  полосок, так как сетка будет напыленной)?

    4. Является ли фотоэлектронный катод с отрицательным электронным сродством катодом с эмиссией горячих электронов?

     

    12. Фотоэлектронные катоды

     

    12.1 Общие сведения

    Огромная роль, которую играют в электронной технике фотоэлектронные катоды (фотокатоды) связана, естественно, с ролью фотоприборов. А роль этих приборов велика по причинам отчасти биологическим, а отчасти технико-социальным. Биологическая основа: человек существенную часть информации об окружающем мире получает посредством зрения. Живи человек в "электрическом" мире, будь он "электрическим" животным, фотокатоды вряд ли кому-либо были нужны, кроме десятка ученых. Технико-социальная основа: человек гораздо раньше научился и по сей день гораздо лучше умеет обрабатывать электрические сигналы, нежели оптические. По-видимому, это отчасти связано с причиной социальной  -  гениальных ученых и инженеров - электриков на ключевом этапе развития техники было больше, чем ученых и инженеров  -  оптиков. По указанным причинам обычная схема применения фотоприбора такова: он преобразует свет в электрический сигнал, потом электрический сигнал подвергается многочисленным преобразованиям, потом он обратно преобразуется в оптический. Собственно преобразование потока квантов в поток электронов осуществляет, как правило, фотокатод, а обратное преобразование  -  люминофор. Фотокатодам и посвящен этот раздел.

     

    12.2. Параметры фотоэлектронных катодов

     

    Основной параметр фотокатодов  -  это спектральная чувствительность, т.е. отношение количества падающего на катод излучения с определенной длиной волны к эммитируемому им току. Чувствительность фотокатодов принято характеризовать тремя различными способами.

     

    Первый  -  это отношение тока эмиссии к мощности падающего на катод светового излучения на той или иной длине волны, единица А/Вт (практически мкА/Вт).

     

    Второй, менее распространенный способ  -  это то же отношение, но мощность оптического излучения измеряется не в Вт, а в оптических единицах светового потока, люменах, т.е. мкА/лм. Однако единица люмен основана на спектральной характеристике чувствительности человеческого глаза ("кривой видности"), и поэтому так можно характеризовать чувствительность фотокатодов для видимой части спектра. Кроме того, раз такая чувствительность не является спектральной, то она определима однозначно только, если оговорено, какой именно источник света (т.е. с какой спектральной характеристикой излучения) используется. Условились, что при измерениях должна использоваться лампа накаливания с вольфрамовой нитью при цветовой температуре 2600С.

    Наконец, третий метод определения чувствительности  -  это квантовый выход, отношение числа эмиттированных электронов к числу упавших на катод квантов. Эта характеристика, как и первая, спектральная. Она наиболее важна и информативна при измерении предельно слабых сигналов, когда кванты, фотоны попадают на катод "поштучно".

     

    Чувствительность в А/Вт и квантовый выход пропорциональны, но коэффициент пропорциональности зависит от длины волны, так как энергия кванта зависит от длины волны. Квантовый выход 100% соответствует для 200, 400, 600, 800 и 1000 ммк соответственно чувствительностям 160, 320, 470, 620, 800 мА/Вт.

     

    Каждый фотокатод имеет свою спектральную характеристику. Чувствительность не равна нулю в рабочем диапазоне длин волн и убывает по его краям. Граница со стороны больших длин волн носит принципиальный характер и называется красной границей фотоэффекта.

     

    Как фотоэмиссия, так и термоэмиссия есть у любого вещества. При работе с малыми освещенностями имеет значение фоновый сигнал  -  т.е. ток, который протекает через прибор при полном отсутствии освещения. Один из компонентов этого фонового сигнала  -  ток термоэмиссии фотокатода. Поэтому у материалов, используемых как фотокатоды, термоэмиссия должна быть как можно меньше.

     

    Фотокатод является катодом с эмиссией горячих электронов, ибо энергия, необходимая для эмиссии, сообщается электрону фотоном, и этот электрон не находится в тепловом равновесии с решеткой. Поэтому фотоэмиссия фотокатодов и их термоэмиссия определяются разными элементами зонной диаграммы их материала; в первом приближении можно считать, что термоэмиссия определяется работой выхода, а фотоэмиссия  -  электронным сродством, т.е. расстоянием от дна зоны проводимости до уровня вакуума. В некоторых случаях, когда надо добиться возможно меньшего фонового сигнала от уже имеющегося фотоприбора, т.е. возможно меньшего термотока от определенного типа фотокатода, его охлаждают. Понижение температуры от, например, +20С до -20С уменьшает термоток на 1-2 порядка. Характерные величины термотоков фотокатодов при комнатной температуре составляют от 3×10-19 А/см2 (1 электрон в секунду)  до 10-12 А/см2.

     

    Следующий из основных параметров фотокатодов  -  это сопротивление. Дело в том, что фотокатод может работать "на отражение" и "на прострел". Если фотокатод работает на отражение, то он может быть выполнен на массивной металлической подложке, и в этом случае его сопротивление большой роли не играет  -  выбитый из него электрон замещается другим, пришедшим из хорошо проводящей подложки. Если же фотокатод работает на прострел, то он представляет собой тонкую пленку, нанесенную на прозрачную подложку со стороны вакуума. Свет проходит сквозь подложку, а выбитый из фотокатода электрон улетает в вакуум. Этот электрон должен заместиться другим, иначе фотокатод зарядится положительно, и протекание тока  прекратится. Замещающий электрон приходит из источника питания через электрод, который располагается по периферии катода. Через подложку он прийти не может, так как прозрачные вещества  -  диэлектрики. При протекании тока по тонкой пленке (фотокатоду) на нем образуется падение напряжения, неэквипотенциальность, зависящая от освещенности. Режим работы прибора нарушается. Поэтому желательно, чтобы сопротивление фотокатода было поменьше.

     

    Для работы с неэквипотенциальностью применяется нанесение на прозрачную подложку тонких проводящих пленок, достаточно низкоомных для выравнивания потенциала, но достаточно тонких, чтобы они слабо поглощали излучение. Чаще всего в качестве таких пленок используются пленки хрома, окиси олова, вольфрама, окиси марганца. Сопротивление квадратного участка большинства пленочных фотокатодов при комнатной температуре составляет от 3×106 до 1010 Ом (или, как говорят, Ом на квадрат) и, к сожалению, оно увеличивается при охлаждении от +20С до -20С в 3-10 раз.

     

    Поскольку фотокатод осуществляет поглощение света и генерацию электронов, то для применений должны иметь значение его оптические параметры. Например, металлы отражают значительную часть светового излучения, что ухудшает их параметры как фотокатодов. Далее, если пленка фотокатода сравнима по толщине с длиной волны, то в результате интерференции в ее толще возникнет то или иное распределение мощности излучения, что повлияет на его параметры. Например, для фотокатода, работающего на отражение, применение хорошо отражающей подложки при условии, что пучность стоячей волны располагается на границе фотокатода и вакуума, увеличивает чувствительность более чем вдвое.

     

    Применяются также (хотя это уже не собственно катодный вопрос) различные оптические устройства, возвращающие на фотокатод отраженный от него свет. Кроме того, следует упомянуть роль оптических свойств прозрачных подложек фотокатодов, так как они являются неотъемлемой его частью. Всякий "прозрачный" материал имеет границы полосы пропускания. Так, со стороны малых длин волн обычные стекла пропускают излучение примерно до 300 нм, увиолевое стекло  -  до 200 нм, кварц и сапфир  -  до 170 нм, фторид магния  -  до 130 нм и фторид лития  -  до 100 нм (для более коротких длин волн прозрачных материалов нет). Со стороны больших длин волн обычные стекла пропускают излучение примерно до 3 мкм.

     

    Применимость фотокатодов определяется не только этими основными параметрами, но и рядом других. Имеет значение пространственная однородность (всех параметров) и временное постоянство (также всех параметров). В зависимости от масштаба времени говорят о шуме  -   если речь идет о колебаниях тока за малые времена, о нестабильности параметров, если речь идет о больших временах и если речь идет о еще больших временах  -  об ограниченном сроке службы. Граница между этими областями не определена формально, но практически ее располагают где-то в области десятков секунд (между шумом и нестабильностью) и сотен часов (между нестабильностью и сроком службы). Шум, как и у прочих катодов, состоит из двух компонент  -  собственно шума катода, фликкер-шума и шума, связанного с дискретностью потока электронов  -  дробового шума.

     

    Далее, имеет значение спектр скоростей эмиттированных электронов  -  как спектр модулей, так и пространственное распределение. Второе обычно описывается законом Ламберта  -  эмиссия под углом к нормали пропорциональна косинусу угла.

     

    Наконец, для эксплуатации важны вибро- и ударопрочность, термостойкость и т.п.

     

    12.3. Фотокатоды для работы в ультрафиолетовой части спектра

     

    Большинство типов фотокатодов, применяемых для видимой части спектра, работоспособны и в ультрафиолетовой  -  энергия ультрафиолетового кванта больше, чем видимого. Диапазон же длин волн, воспринимаемых фотоприбором, ограничивается полосой пропускания входного окна (см.выше). Особую группу среди фотокатодов представляют солнечно-слепые фотокатоды, воспринимающие ультрафиолетовое излучение, но не чувствительные к излучению Солнца . Такие фотокатоды позволяют исследовать ультрафиолетовое излучение при наличии мощного фонового излучения Солнца. Конечно, в качестве солнечно-слепых фотокатодов можно было бы применять металлы, но они имеют малый квантовый выход, в частности из-за высокого отражения.

     

    Солнечно-слепой фотокатод для космических применений должен не воспринимать излучение длиннее 200нм,  для наземных  -  длиннее 350 нм (участок солнечного излучения короче 350 нм поглощается атмосферой). Применяются соответственно KBr (граница 150 нм), CsJ (граница 180 нм), Cs2Te или Rb2Te (граница 280 нм). Квантовый выход  достигает 10% и более в области 110-140 нм (KBr, CsJ) и 140-240 нм (Cs2Te, Rb2Te). Все эти катоды имеют большое сопротивление и при исполнении "на прострел" должны иметь тонкую проводящую подложку (Cr, W).

     

    Для области длин волн короче 100 нм, исследования в которой возможны только в вакууме (внутри откачиваемой установки или в космосе), применяются катоды из MgF2 с границей чувствительности 140 нм и квантовым выходом более 40% при 55 нм. Технология катодов Cs2Te и Rb2Te - напыление тонкой пленки Te и обработка ее в парах Cs и Rb. Технология  KBr, CsJ и MgF2  -  напыление.

     

    Имеются данные о неплохих параметрах CuJ в качестве фотоэмиттера. Положительным свойством CuJ  является  -  в отличие от всех прочих эмиттеров этой группы  -  низкое сопротивление. Есть сведения о применении галоидных соединений Ag.

     

    12.4. Фотокатоды для работы в видимой части спектра

     

    В большинстве случаев для таких катодов используются соединения сурьмы со щелочными металлами  -  одним, двумя или тремя. Первым был предложен катод Cs3Sb. Технология  -  напыление пленки Sb толщиной 4,5-6 нм и затем нагрев ее в парах Cs (200-250С), при этом толщина увеличивается до 26-35 нм. Иногда применяется  последующее частичное окисление, уменьшающее работу выхода с ростом чувствительности и термоэлектронного тока. Максимальная чувствительность  -  около 120 мкА/лм, средняя  -  40 мкА/лм. Термоэмиссия  -  16-17 около 10-16 А/см2. Сопротивление  -  около 3×107 Ом на квадрат (все данные   -  для 20С). Термостойкость катода  -  100С. Спектральная характеристика охватывает область от 350 до 550 нм (на уровне 0,5) или от 300 до 600 нм (на уровне 0,1), т.е. похожа на "кривую видности" глаза. Поэтому чувствительность этих катодов уместно характеризовать в А/лм. Квантовый выход в максимуме чувствительности (на 400 нм) - до 30%.

     

    Показано, что чувствительность Cs3Sb катода увеличивается при использовании в качестве подложки пленки MnO, причем показано, что кислород из MnO, окисляющем катод, не оказывает влияния, поэтому роль MnO пока не вполне ясна.

     

    Исследовались однощелочные антимониды Li3Sb, Na3Sb, K3Sb, Rb3Sb, но они оказались имеющими худшие квантовый выход и красную границу фотоэффекта и применения не нашли.

     

    Основную массу применяемых фотокатодов составляют двухщелочные (SbKNa, SbKCs, SbRbCs) и многощелочные (SbKNaCs) катоды. Технология  -  напыление пленки Sb (350-400 нм) и ее последующий нагрев в парах щелочных металлов. У таких катодов чувствительность примерно в два раза выше, чем у однощелочных, квантовый выход достигает 50%, длинноволновая граница  -  740 нм. Чувствительность, естественно, увеличивается, а длинноволновая граница сдвигается к 760 нм после некоторого окисления (его называют сенсибилизацией). Термоэмиссия мультищелочных фотокатодов составляет от 3×10-19 А /сму SbNa2K до 10-16 А/см2 у SbRbCs и SbKNaCs, а сопротивление  -  от 3×106 Ом на квадрат у SbNa2K до 1010 Ом на квадрат у SbK2Cs.

     

    Для ряда применений (приборы ночного видения, лазерные исследования, оптическая связь) необходимы фотокатоды с чувствительностью в ближней инфракрасной области. За счет увеличения толщины мультищелочных катодов удается дотянуть их чувствительность до 800-900 нм (на уровне 35-30% от максимальной). Такие катоды в каталогах часто обозначаются ЕRМА: Extended Red Multi Alkali.

     

    Отметим, что в отличие от Cs3Sb, чувствительность SbNa2KCs катода при окислении ухудшается, и рост чувствительности при использовании подложки MnO не отмечен.

     

    Ближе всего к "кривой видности" человеческого глаза лежит кривая чувствительности BiAgOCs-катода. Технология  -  напыление пленки Bi около 5 нм, затем Ag 4 нм, затем окисление и обработка в парах Cs при примерно 150С. Сформированный катод состоит в основном из Bi Cs3, Ag и Cs2O. Максимальный квантовый выход  -  около 10%, но благодаря равномерной (панхроматической) спектральной характеристике чувствительность достигает 120 мкА/лм. Термоэмиссия  -  около 10-14 А/см2.

     

    12.5. Фотокатоды для работы в инфракрасной области спектра

     

    Для приема сигналов с длиной волны более 1 мкм по сей день применяется самый старый фотокатод  -  AgOCs. Его спектральная характеристика имеет два максимума  -  при 800 нм и 350 нм (однако у некоторых образцов минимум между ними отсутствует). Квантовый выход мал  -  не более 7×10-3, из-за широкой характеристики чувствительности (вдобавок длинноволновый максимум совпадает с максимумом излучения при 2600С) чувствительность оказывается не очень малой  -  до 40 мкА/лм. Термоток катода велик  -  10-10 - 10-13  А/см2 (наилучшее значение  -  10-14  А/см2), сопротивление  -  3×107 Ом на квадрат. Технология: напыление тонкой пленки Ag (около 15 нм), окисление, второе напыление Ag, обработка в парах Cs при 150-200С. Состав сформированного катода  -  в основном Ag и Cs2O.

     

    12.6. Фотокатоды с отрицательным электронным сродством

     

    Основой этих катодов является либо кремний, либо полупроводники  -  соединения элементов III и V  групп, называемые часто соединениями АIII  - ВV. Большинство таких фотокатодов  -  сильнолегированные полупроводники р-типа, обработанные так, что уровень вакуума оказывается ниже дна зоны проводимости (в объеме), т.е. электронное сродство оказывается отрицательным. При этом в вакуум могут выйти электроны, находящиеся в зоне проводимости (в объеме) без получения дополнительной энергии. Обработка поверхности осуществляется сорбцией на ней цезия и кислорода. На таких катодах на основе GaAs получена рекордная чувствительность  -  более 2000 мкА/лм при относительно малой термоэмиссии  -   10-16  А /см2  и квантовом выходе до 30%. Основным недостатком катодов является весьма высокий вакуум, необходимый для их работы.

     

    12.7. Нетрадиционные фотокатоды

     

    В некоторых случаях от фотокатодов требуется работа при очень высоком уровне токов  -  в сотни и тысячи   А /см2, который не может быть достигнут в обычных фотокатодах из-за высокого их сопротивления. Требование высокого тока возникает при использовании фотокатода не как приемника оптических сигналов, а в разного рода физических экспериментах, например, когда надо преобразовывать мощный лазерный импульс в электронный. В этих случаях в качестве фотокатода используют металлы. Однако у "технологически удобных" металлов (не ядовитых, не очень дорогих, легко обрабатываемых и относительно прочных) работы выхода довольно велики (> 3,7 эВ). Поэтому известен ряд попыток использования в качестве фотокатодов классических термокатодов, но при 20С. Они имеют после активирования малую работу выхода. Применялись LaB6-катод,  WBa-катод и предлагалось применять оксидный катод (BaSrCa)O, хотя его сопротивление больше, чем у двух предыдущих.

     

    12.8. Вторично-электронные эмиттеры в фотоприборах

     

    Обязательной частью большинства фотоприборов с фотокатодами являются вторично-электронные эмиттеры. Расчеты и эксперименты показывают, что значительно эффективнее усиление тока фотокатода расположенным в том же вакуумном объеме вторично-электронным умножителем, чем выведение этого тока из прибора и усиление его какой-либо усилительной схемой вне фотоприбора.

     

    Вторично-электронные катоды рассматривались в другой части курса, однако их применение в оптико-электронных приборах с фотокатодами имеет ряд особенностей.

     

    Во-первых, такие катоды должны быть совместимы в эксплуатации, т.е. не должны вредно влиять друг на друга.

     

    Во-вторых, они должны быть совместимы технологически, т.е. технологические операции, производимые с одним катодом (уже в приборе!) не должны портить другой. Например, нельзя активировать вторично-электронный катод при температуре, при которой разрушится стоящий в том же приборе фотокатод  -  надо обеспечивать его защиту.

     

    В качестве вторично-электронных катодов в фотоприборах используют чаще всего двухкомпонентные сплавы на основе Cu, Al, Ag или Ti  с добавкой единиц процентов Mg или Be или трехкомпонентные сплавы на той же основе с добавкой Mg и Sr или Mg и Li. Собственно эмиттером в этих сплавах является пленка или частицы оксидов Mg, Be, Sr, а Li и, возможно, Sr  -  монослоем, понижающим работу выхода.

     

    При обработке фотокатода парами  щелочных металлов эмиссия этих вторично-электронных катодов, естественно, возрастает (образуются системы Cu - MgO - Cs и т.п.).

     

    Эффективными вторичными эмиттерами являются вообще все фотокатоды, а во многих приборах они и применяются в качестве вторичных эмиттеров, например, Cs3Sb, K2CsSb и др. Еще более эффективными вторичными эмиттерами являются эмиттеры с отрицательным электронным сродством, однако они имеют большую термоэмиссию

     

    Вопросы к разделу 12

    1. Какими свойствами и каких веществ определилось то, что человек  -  животное "оптическое", а не "электрическое"?

    Мог ли человек оказаться животным "электромагнитным", но с другой "рабочей" длиной волны  -  0,1 мкм? 10 мкм? 1 см? 1 м?

    2. С чем связано наличие красной границы фотоэффекта? Кем, когда было показано ее наличие, почему его открывателю дали Нобелевскую премию за него, а не за другую, более важную работу?

    3. Почему не существует прозрачных и проводящих веществ? На каких длинах волн начинается прозрачность в плохих проводниках  -  германии, кремнии?

    4. Почему сопротивление пленок можно характеризовать величиной "Ом на квадрат"? Зависит ли сопротивление квадратного участка пленки от размеров квадрата (ток протекает в плоскости пленки)? Почему неудобно характеризовать величину сопротивления материала пленки так, как характеризуют величину сопротивления массивных материалов  -  объемным сопротивлением Ом×м?

    5. Говорят, что у кошек в темноте "светятся глаза". Физически это не так, они не светятся, а отражают. Но какой элемент устройства кошачьего глаза напоминает один (какой?) элемент устройства фотокатода? Есть ли нечто аналогичное и в кинескопе?

    6. При каких условиях возможно поглощение одним электроном двух квантов и тем самым нарушение закона о красной границе фотоэффекта? Впервые это нарушение было обнаружено на Cs3Sb (необходимая для эмиссии энергия 2 эВ, а энергия фотона была 1,17 эВ) и К (2 эВ и 1,48 эВ соответственно). Наблюдался даже трехфотонный фотоэффект на Аu (5 эВ и 1,78 эВ соответственно). Какую причину имитации многоквантового фотоэффекта можно было бы заподозрить на Cs3Sb и К, но уж совершенно невозможно на Аu?

    7. Какому квантовому выходу соответствует чувствительность 40 мА/Вт на волне 300 мнк и 500 мнк? Почему при одной чувствительности на разных длинах волн получаются разные квантовые выходы?

    8. Область длин волн короче 200 нм называется "вакуумный ультрафиолет". Почему?

    9. Почему исследования в области длин волн короче 100 нм можно проводить только в космосе или в вакуумной установке? Из какого вещества должно быть выполнено входное окно фотоприбора?

    10. Почему и куда сдвигает красную границу фотоэффекта сенсибилизация?

    11. Почему наличие максимума чувствительности при 800 нм влечет высокую чувствительность мкА/лм AgOCs-катода, несмотря на малый квантовый выход?

    12. При окислении пленки Ag для AgOCs-катода изменяется ее цвет, причем в следующей последовательности  -  желтый, красный, синий, зеленовато-желтый. Почему?

     

    13. Вторично-эмиссионные электрон-электронные катоды

     

    13.1. Общее описание

     

    Основными областями применения  вторично-электронных катодов являются вторично-электронные (ВЭУ) и фотоэлектронные (ФЭУ) умножители, ЭВП М-типа и приемно-усилительные лампы со вторичной эмиссией. Для всех применений наиболее существенными вторично-эмиссионными параметрами являются: коэффициент вторичной эмиссии (КВЭ или s) в области малых энергий первичных электронов, обычно характеризуемый величиной EI  - энергией, при которой s = 1, максимальной величиной s - sm и энергией первичных электронов Еm, когда s = sm.

     

    Чем ближе к выходу ВЭУ или ФЭУ стоит динад или чем в более мощном приборе М-типа работает катод, тем более мощной электронной бомбардировке он подвергается. Поэтому важным параметром вторично-электронных катодов  является стойкость к электронной бомбардировке.

    Остальные параметры вторично-электронных катодов могут быть названы "общекатодными". К ним относятся: стойкость к вредным воздействиям со стороны прибора (отравление, распыление), вредные воздействия на прибор (газовыделение, испарение). Параметрами являются также рабочая температура и мощность накала либо  -  что является особенностью вторично-электронных катодов  -  потребность в охлаждении (когда мощность бомбардировки превышает потребную мощность накала).

     

    Существуют методы расчета, позволяющие по параметрам магнетрона определить температуру катода, EI, sm, Еm [16,17,18]. Если от катода требуется не только вторичная, но и термоэмиссия, а температура получается ниже необходимой, необходим накал. Если температура получается выше допустимой, исходя из допустимого испарения и необходимого срока службы, необходимо охлаждение. Для случаев, когда требования по вторичной и термоэмиссии совместить в одном материале не удается, предложены катоды, имеющие участки с различными свойствами. Во многих случаях бомбардировка электронами поверхности катода неравномерна, и это должно учитываться при выборе расположения участков. Например, в ЭВП М-типа с цилиндрическим катодом бомбардировка неоднородна как по образующей, так и по азимуту.  При плоском катоде бомбардировка будет очевидно неоднородна по обеим координатам. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от угла падения первичных электронов, поэтому она может быть увеличена гофрированием поверхности электрода.

     

    Вторично-электронные катоды классифицируют (как и другие) по одному из двух параметров  -  составу или технологии  -  или по их комбинации. Мы будем классифицировать катоды прежде всего по эмиттирующему веществу, т.е. именно тому, которое обеспечивает основную вторичную эмиссию. При одинаковом эмиттирующем веществе классификация будет происходить по структуре и по технологии.

     

    Вторично-электронные катоды делятся на:

    полупроводниковые, в том числе с отрицательным электронным сродством;

    щелочногалоидные соединения и композиции с ними;

    сплавы и чистые металлы (неокисленные);

    SbCs и мультищелочные  - SbNaKCs и др.;

    полимеры;

    на основе окислов, причем катоды на основе окислов делятся на:

    -   собственно окислы;

    -   композиции металл-оксид;

    -   частично восстановленные окислы;

    -   окисленные сплавы.

    В тех или иных конкретных случаях может быть удобно и другое деление  -  на высокоомные (полимерные и на основе стекла) и низкоомные, на тонкопленочные (SbCs и т.п.) и объемные, на имеющие слои с особыми свойствами: поверхностный (катоды с ОЭС, SbCs и т.п.), приповерхностный (на основе стекла или окисленного сплава) и не имеющие такового.

     

    Любой вторично-электронный катод, если он может быть выполнен в пленочном варианте, может быть использован не только "на отражение", но и "на прострел". При этом вторичные электроны эмиттируются с поверхности, противоположной той, которую бомбардируют первичные.

      

    13.2. Полупроводниковые катоды

     

    Полупроводниковые катоды  -  это, как правило,  GaP или GaAs, чаще всего грань (100), но иногда и поликристалл; иногда это грань (100) Si. Известно применение соединения GaP0,5As0,5. Во всех случаях поверхность активирована Cs и слегка окислена. Высокое значение s связано с генерацией электронно-дырочных пар первичными электронами. Поэтому пока глубина проникновения первичных электронов не станет больше максимальной глубины выхода вторичных, s растет с ростом Е почти линейно. Значения sm и Еm определяются максимальной глубиной выхода, и если она велика, значения Еm могут вообще не достигаться (и тем самым sm остается неизвестным). Так, известны работы, в которых при Е = 20 кВ получалось sm = 1800, но при этом ни Еm, ни sm не достигалось. В других работах достигалось sm = 200-500 при Е = 4-20 кВ. Величина EI может быть уменьшена до 12 эВ. Покрытие поверхности монослоем Cs и О уменьшает электронное сродство (и может сделать его отрицательным) и тем самым увеличивает s. Предлагалось применение вместо Cs чередующихся слоев Cs и Sb или Cs и Te. Поскольку при бомбардировке первичными электронами в катоде увеличивается количество электронно-дырочных пар, возникает так называемая "электронно-возбужденная проводимость".

     

    На параметры катодов очевидным образом влияет совершенство кристалла или пленки  -  чем оно выше, тем больше максимальная глубина выхода вторичных электронов и, следовательно, sm и Еm. Далее, необходимы определенные структуры и состав поверхности, чтобы достичь отрицательного электронного сродства. Поскольку оно достигается покрытием определенным количеством Cs и О, то катоды, очевидно, весьма чувствительны к остаточной атмосфере.

     

    Применяются катоды с отрицательным электронным сродством в электронных умножителях и электронно-умножительных системах, например, фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Применение таких катодов позволяет улучшить параметры, но, в силу вышесказанного, усложняет конструкцию и технологию.

     

    13.3. Щелочногалоидные соединения и композиции с ними

     

    Щелочногалоидные кристаллы имеют sm порядка 10-30 при Еm = 1-5 кэВ. Величина EI составляет, по-видимому, около 30-50 эВ. Для этих катодов характерна низкая стойкость к бомбардировке электронами  -  по разным данным допустимый ток составляет 10-6 -  3×10-5 А /см2. Понятно, что улучшение совершенства кристалла должно увеличивать sm. Известна попытка изготовления катода в виде маленьких частиц  щелочногалоидного соединения в полимерной матрице. Такой материал более технологичен, но величины sm и Еm оказываются существенно меньше.

     

    В целом работ по вторично-эмиссионным свойствам катодов этой группы очень мало, и на большинство вопросов ответов нет.

     

    13.4. Сплавы и чистые металлы (неокисленные)

     

    Из чистых металлов в качестве вторично-электронных эмиттеров применяется в основном Pt. Для нее sm = 1,85, EI = 100 эВ, Еm = 0,8  кэВ. Зафиксированный срок службы более 100 тыс.ч., но в принципе он не ограничен. Почти такие значения вторичной эмиссии у Rh, Pd, Ir, Os, Au. Среди граней монокристаллов можно найти и лучшие эмиттеры (максимум у Ir (100) sm = 2,1), но по технологическим причинам применяется  исключительно Pt  -  в случаях, когда стоимость не является определяющим параметром, а важен срок службы. В случаях, когда стоимость важна, например, в магнетронах для бытовых СВЧ-печей, применяется  WCTh-катод.

     

    Заметим, что хотя в WCTh-катод Th вводится в виде ThO2, но по механизму работы этот катод является монослойным. Собственно эмиттером является монослой Тh на W2C с sm,  достигающем 1,9 (против чистого W  с sm = 1,4). Такой катод, конечно, дешевле Pt, но срок службы его ограничен временем, в течение которого сохраняется монослой Th на поверхности, пополняющийся диффундирующим из объема W и расходующийся на испарение и распыление. Кроме того срок службы зависит от декарбидизации  -  ухода С путем окисления. После расходования углерода скорость удаления Th с поверхности увеличивается и концентрация Th на поверхности падает.

     

    Неоднократно предпринимались попытки сделать эффективный вторично-электронный катод из сплавов металлов (WHfWta, Re + тугоплавкие металлы), но данных по таким катодам крайне мало, и эффективных эмиттеров среди них не найдено. Более подробно исследовались катоды Ni +  щелочноземельные металлы (ЩЗМ), Pt + ЩЗМ, (Ir, Re, Os) + редкоземельные металлы (РЗМ). В группе катодов Ni +ЩЗМ достигнуто sm = 4,2 при Е = 0,8 кэВ, для катода Ni + (Al, Cu, Sn) + Ва. Запись (Al, Cu, Sn) означает "один из металлов Al, Cu, Sn".  В группе Pt + ЩЗМ достигнуто sm = 3,0 при Е = 0,8 кэВ  и EI = 30-50 для катодов PtBa. В группе (Ir, Re, Os) + РЗМ достигнуто sm = 2,6 при Е = 0,6 кэВ  и EI = 150 кэВ  для катода Ir + La. Для некоторых из катодов этих трех групп известны скорости испарения и допустимые режимы бомбардировки.  При энергии первичных электронов 1 кэВ допустимые токи бомбардировки составляют (1-4) ×10-2 А /см2  в течение 500-2000 часов.

     

    Сложной технологической задачей является соединение Pt или Ir  с дешевой подложкой. Чем слой Pt, Ir тоньше, тем катод дешевле, но тем быстрее взаимная диффузия покрытия и подложки выводит катод из строя.

    Не исключено, что в эмиссионную структуру этих катодов входит и кислород, хотя специально эти сплавы окислению не подвергались (за счет кислорода в объеме сплава и газов остаточной атмосферы).

     

    13.5. SbCs и мультищелочные  -  SbNaKCs и др.

     

    Катоды этой группы  -  это SbCs3, BiCs3, TeCs3 и мультищелочные SbNa2KCs, SbK2Cs и др. Для них характерны sm = 20-40, Еm = 0,7 кэВ  и EI = 10-15 эВ. Допустимый ток бомбардировки " 5×10-5 А /см2, т.е. в среднем чуть выше, чем для щелочногалоидных соединений. В основном катоды этой группы используются как фотокатоды и поэтому более подробно они описаны в соответствующем разделе.

     

    13.6.  Полимеры

     

    Данных по вторично-эмиссионным свойствам полимеров очень мало. Во-первых, это те полимеры, которые, по мнению авторов, могут иметь какие-то перспективы при использовании в качестве вторично-электронных эмиттеров. Во-вторых, это композиционные материалы на основе полимера, например, содержащие NaCl или MgO. Как в тех, так и в других случаях в основном получены величины sm от 2,5 до 3,5 при Еm от 0,18 до 0,3 кэВ. Понятно, что мотивом для исследования полимеров и композитов на их основе в качестве вторичных эмиттеров были очевидные технологические преимущества, однако удовлетворительные параметры получены не были. По-видимому, катоды этого типа будут иметь и малую стойкость при бомбардировке и малый предельный ток.

     

    13.7. Катоды на основе окислов

     

    13.7.1. Собственно окислы и их композиции с металлами

    Собственно окислы могут использоваться либо при температурах, когда их проводимость достаточна для того, чтобы не происходило их заряжания при тех токах, при которых они эксплуатируются. Поэтому в катодах, предназначенных для работы при больших плотностях тока (в магнетронах) используют ThO2, Y2O3, Lu2O3 с sm = 2,4 - 2,9, Еm " 0,7 кэВ  и EI = 50 эВ при температурах, обеспечивающих проводимость (>1000С). При работе прибора окись расходуется (испаряется, разрушается). Поэтому для увеличения срока службы стараются увеличить количество окисла в катоде. Но толстый слой окисла имеет низкую проводимость и его технологически трудно выполнить. Поэтому получили распространение всякого рода слои окислов на шероховатых подложках (аналог (BaSrCa)O  -  катода на шероховатой Ni-подложке) и прессованные или пропитанные композиции окисел - металл (аналог катода (BaSrCa)O + Ni, WBa-катода и т.п.). Так, для смеси W + 30%ThO2, например, sm = 2,5, Еm " 0,8 кэВ  и EI =150 эВ и т.д. В качестве вторично-электронных эмиттеров применяются и обычные термокатоды этих классов, тем более что во многих случаях от катодов ЭВП М-типа требуются одновременно и термо-, и вторичная эмиссия. Так,  для (BaSrCa)O sm = 4-10, Еm " 1-1,5 кэВ  и EI = 20 эВ, допустимый первичный ток порядка 0,01 А /см2 , при энергии 0,3 кэВ. Для (BaSrCa)O + Ni естественно несколько ниже sm, выше  EI и допустимый ток. Для WBa-катода sm = 1,5 -2,5, Еm " 0,8 кэВ  и EI = 100 эВ, допустимый ток бомбардировки как для (BaSrCa)O или немного выше. Конкретные значения всех этих величин зависят от рабочей температуры, а допустимый режим бомбардировки  -  еще и от требуемого срока службы, поэтому указать их точнее нельзя.

     

    Поскольку ограничение срока службы окисла в условиях бомбардировки связано с его разложением, срок службы таких катодов может быть увеличен при введении в прибор кислорода от специального источника.

     

    Известны немногочисленные попытки применения в качестве вторичных эмиттеров иных соединений, кроме ЩГК и окислов, например, боридов. Но обследованные соединения имели низкий КВЭ.

     

    13.7.2.  Частично восстановленные окислы

     

    Другим способом придания проводимости окислу является частичное его восстановление. Именно такой способ почти монопольно применяется для изготовления микроканальных умножителей, хотя известны успешные попытки изготовления их из керамик (BaSrGe)(TiSn)O3 и (ZnTi)O3 + Al2O3. Обычная же технология такова - стеклянные трубочки складываются в пучок, при нагреве сильно вытягиваются и сплавляются между собой. Полученный стержень, пронизанный каналами, режется на шайбы и нагревается в Н2, при этом некоторые окислы, входящие в стекло, частично восстанавливаются, обеспечивая проводимость. Известно применение (или попытки применения) самых разных стекол  -  обычных свинцовосодержащих (Pb, Si, K, Na), с добавкой Bi, стекол системы  V-P-Cs, V-P-Ba-W и т.д. В основном полученные данные таковы: sm от 3 до 4,5, Еm от 0,2 до 0,4 кэВ  и EI от 15 до 50 эВ. Впрочем, иногда получают и меньшие sm и большие EI . В целом, как легко видеть, поле для поисков здесь поистине безгранично.

     

    Стойкость к бомбардировке, т.е. допустимый первичный ток, невелик. Так, в литературе называлась в качестве допустимой доза 10-3 кул /см2 при энергии 2 кэВ; при прогнозируемом сроке службы 1000 часов это соответствует 3×10-4 А /см2. Заметим, что керамики, попытки применения которых вместо стекол делались (см.выше), выдерживают токи, большие на несколько порядков. Здесь область поиска столь же широка, а полученных данных еще меньше.

     

    13.7.3. Окисленные сплавы

     

    Наконец, последний способ получить проводящий окисел  -  это частично окислить металл. Понятно, почему частично: полностью окисленный станет окислом с высоким КВЭ, но низкой проводимостью. Практически удобно использовать сплавы, по меньшей мере двухкомпонентные, в которых один компонент и образует окисел  -  эффективный вторично-электронный эмиттер, а второй компонент не окисляется и служит с одной стороны "ограничителем окисления", с другой  -  токопроводящей матрицей, в которой и находятся собственно эмиттеры - частицы оксида. В качестве этих сплавов известно применение AgMg, CuBeAl, CuAl, CuMg, CuBe, PtBe. В случае CuBeAl окисляемых компонентов два. Иногда бывает более одного и пассивного компонента. Иногда второй компонент вообще отсутствует  -  известно применение сплава MgAl (окисляются оба компонента) и чистого Be. На состав сплава влияют также требования технологии  -  достаточно легкая обрабатываемость и т.п. Параметры получающихся катодов зависят от их структуры, а она  -  от режима окисления (давление кислорода, температура, время). Наилучшие эмиссионные параметры получаются при толщине окисной пленки в сотни ангстрем.

     

    В общем, характерные величины таковы: sm = 5 -15, Еm " 0,5-1 кэВ  и EI = 20-50 эВ. В некоторых случаях удается получить sm до 30 (MgCs, MgLi). Заметим, что во всех случаях в уже окисленном сплаве, т.е. в готовом эмиттере, могут присутствовать как частицы окисла, так и тонкие пленки окисла. Допустимый первичный ток (бомбардировки) составляет от 10-4 А/см2  до 10-2 А/см2 (для толстых пленок) и варьирует, конечно, и в зависимости от технологии, и от критерия "допустимости".

     

    Отметим, что механизм работы эмиттеров из окисленных сплавов до сих пор не вполне ясен; сложной проблемой является проводимость диэлектрических частиц и пленок, точнее  -  механизм передачи заряда в них или через них.

     

    Вопросы к разделу 13

    1. Чем определяется толщина вторично-электронного катода "на прострел"?

    2. Может ли наблюдаться электронно-возбужденная проводимость в металлах?

    3. Почему усовершенствование кристалла щелочногалоидного соединения увеличивает sm и Еm?

     4. Откуда в объеме сплава, из которого сделан катод, берется кислород?

     5. Почему у катодов на основе полимеров будет малый предельный ток?

     6. Почему после декарбидизации падает концентрация Th на поверхности WCTh-катода?

     7. Пусть прибор работает с электронами энергии Е, а потенциал поверхности вторичного эмиттера, который не влияет на работу прибора, составляет долю Х от Е. Пусть плотность первичного тока j, КВЭ s, удельное объемное сопротивление слоя оксида r. Вычислить допустимую толщину слоя оксида d = d(X, E, j, s, r)

     

    14.  Антиэмиттеры

     

    Часто в технике электронных приборов приходится решать задачу, прямо противоположную задаче создания эффективного вторичного эмиттера. Например, для коллекторов электронных приборов требуются материалы с низкой вторичной эмиссией, т.к. вторичные электроны попадают в объем прибора и ухудшают его параметры.

     

    Кроме того, для выходных окон мощных СВЧ-приборов также требуются покрытия с низким КВЭ. В противном случае возникает вторично-электронный разряд и на окне выделяется такая энергия, что керамика проплавляется.

     

    В первом случае материал с низкой вторичной эмиссией должен быть проводником; во втором  -  диэлектриком, чтобы пропускать СВЧ-излучение. Традиционно первая проблема решалась путем создания на поверхности шероховатости. Низким коэффициентом вторичной эмиссии известен углерод. Лучшие современные результаты получены и для некоторых других веществ, например, карбида титана.

     

    Для покрытия выводов энергии СВЧ-приборов делались попытки применения тонких металлических пленок, понижающих КВЭ, но настолько тонких (£100A), что они пропускали СВЧ-излучение. Наиболее эффективно оказалось применение TiN, позволившее увеличить предельную мощность СВЧ ЭВП в несколько раз.

     

    Во многих случаях в электронных приборах приходится решать задачу создания поверхностей с малой термоэмиссией  -  так называемых антиэмиттеров. Казалось бы, достаточно взять любой металл с высокой работой выхода. Однако ситуация, как правило, сложнее. Во-первых, электроды, от которых требуется малая эмиссия, должны находится под потенциалом порядка катодного, а не анодного. Стало быть, они должны располагаться около катода, а значит  -  подвергаться напылениям с катода. Продукты испарения ( и распыления) катода имеют часто низкую работу выхода и, попадая на прикатодный электрод и сетки,  "активируют" их, снижают работу выхода. Кроме того, находясь рядом с катодом, эти электроды нагреваются от него, что увеличивает термоэмиссию. Т.е. для таких электродов нужны материалы, дающие малую эмиссию при напылении веществ с катода и при той температуре, которую они приобретают, находясь в работающем приборе. Обычный механизм действия таких материалов  -  растворение в себе веществ, испаряющихся с катода (альтернатива  -  десорбция). С разных катодов испаряются разные вещества, а скорость растворения зависит от температуры. Поэтому антиэмиссионные покрытия специфичны  -  для каждого катода и температуры существует свое оптимальное решение. Например, в паре с оксидным и WBa-катодом применяются обычно  Au, Ti, комбинация Au + Ti. Успешно испытывались покрытия SnNi, SnGeNi, ZrSn, Ti, углерод. В паре с  WCTh-катодом применяются Тi, ZrC + Pt, углерод.

     

    Другим вариантом применения антиэмиссионного вещества может быть деталь, непосредственно (а не через вакуум) контактирующая с катодом. Это может быть сетка или иные элементы, непосредственно вмонтированные в эмиссионную поверхность, или участки катода, не покрытые эмиссионным покрытием, которые не должны эмиттировать. В этих случаях элементы подвергаются не только напылению, но и миграции активного вещества с катодов. В этих условиях для работы в паре с WBa-катодом хорошо зарекомендовали себя MoSi2 и Hf, с LaB6-катодом  -  углерод, с ОК  -  очевидно, Ni (классический материал керна).

     

    15. Ионно-электронные эмиттеры

     

    В ряде электронных газоразрядных приборов источником электронов является катод, бомбардируемый ионами. В некоторых случаях процесс ионно-электронной эмиссии создает основное количество электронов в объеме прибора.

     

    Известно два механизма ион-электронной эмиссии: потенциальная  -  вырывание электронов из тела полем подлетающего иона и кинетическая  -  выбивание электронов из тела за счет кинетической энергии иона. Коэффициент потенциальной эмиссии увеличивается с увеличением энергии ионизации иона и уменьшением работы выхода мишени и для пар Ne+/W, He+/W, Ar+/W составляет, например, 0,24, 0,24 и 0,1 соответственно, и слабо зависит от энергии ионов. Для Мо мишени эти коэффициенты примерно на 10% больше.

     

    При бомбардировке многозарядными ионами ион-электронная эмиссия возрастает  -  для 2-х, 3-х, 4-х зарядных ионов она больше, чем для однозарядных, примерно в 4, 10, 20 раз соответственно. При анализе данных по потенциальной ион-электронной эмиссии должно учитываться, что она сильно зависит (как и термоэмиссия) от состояния поверхности. Эта зависимость очевидна, ибо в формулу для эмиссии входит работа выхода. При этом обеспечить стабильное и повторяемое состояние поверхности в газовом разряде ничуть не проще, чем в вакууме.

     

    Кроме потенциальной, существует еще и кинетическая ионно-электронная эмиссия. Она практически отсутствует при энергиях менее 1 кВ, потом возрастает линейно, потом медленнее, проходит через максимум и убывает. Порядок величин коэффициента таков: для пары К+/W 0 при 1,5 кэВ и 0,25 при 6 кэВ, для Ar+/W 0,1 при 1,5 кэВ и менее (потенциальная эмиссия) и 0,35 при 6 кэВ. Для энергии 10 кэВ коэффициент ион-электронной эмиссии достигает 0,6 в парах Ne+/Мо и Ar+/Мо. При больших энергиях рост замедляется. Например, в паре Ne+/Мо максимум, равный 1,8, достигается при 20 кэВ, в паре He+/Мо   -  максимум 1,4 при 20 кэВ, в паре Мо+/Мо  -  1,5 при 25 кэВ, в паре Ar+/Si  -  около 1 при 15 кэВ, в паре Sb+/Sb и Bi+/Bi  -  4,0 при 20 кэВ без признаков насыщения. Затем начинается спад, и к энергиям в единицы МэВ  коэффициент падает примерно до единицы.

    Для окислов и окисленных металлов коэффициент увеличивается. Например, при окислении W коэффициент увеличивается в 2 (а при сорбции азота  -  в 3) раза.

     

    16. Моделирование процессов в термокатодах

     

    Современная физика имеет дело с двумя типами объектов  -  идеальными и реальными. Реальные объекты  -  это те, которые на стол физику приносит либо природа, либо люди, получившие их путем эмпирического или эмпирико-теоретического поиска и теперь желающие знать  -  с чем они имеют дело. Природа принесла нам на стол звезды и кошек, люди  -  антрекот с гарниром и электронные катоды. Физики полагают, что функционирование реального объекта может быть понято, если определить несколько основных закономерностей и построить вычислительную модель объекта, включающую эти закономерности. Построение модели обычно нужно потому, что закономерностей оказывается больше, чем может быть непосредственно охвачено мозгом.

     

    Идеальный объект  -  это объект, изучаемый в надежде на то, что в его работе участвует мало закономерностей. Тогда удастся понять ту или иную основную закономерность, а изучая другой объект  -  другую. Затем, зная эти основные закономерности, мы можем построить модель реального объекта. Возможна  -  хотя и редка  -  и противоположная ситуация, когда идеальный объект получить не удается, и данные о нем приходится получать, работая с реальными объектами и строя их модели.

     

    Рассмотрим ситуацию с термокатодами, например, с WBa-катодом. Для этого случая идеальный объект  -  это грани монокристалла W и разные пленки на них. Сначала  -  пленка Ba, потом пленка O, потом пленка Ba, подвергнутая окислению, потом пленка Ba  на предварительно окисленном W , затем W в условиях напыления BaO и т.д. Соответственно  -  реальный объект  -  это натуральный катод  -  губка из поликристаллического W, пропитанная солями системы Ba-Ca-Al-O, да иногда с пленкой какого-то металла или сплава на поверхности, а иногда и губка из сплава и т.д.

    Фактически изучение идеальных и реальных объектов идет параллельно, и модель работы реального объекта строится с учетом данных, полученных при изучении идеальных объектов. Чем занимается тот или иной физик или та или иная группа исследователей, зависит от многих обстоятельств. От наличия экспериментальной техники, от личных склонностей и вкусов, от стремления работать независимо, от тематики коллектива или группы, к которой административно относится группа или человек, от умения и желания отстаивать свои интересы, от того, что лучше оплачивается и т.д.

     

    Построение моделей реальных объектов происходит с использованием данных, полученных при исследованиях идеальных объектов. Выбор же идеальных объектов для изучения часто исходит из представления о работе реального объекта. Процессы изучения идеальных и реальных объектов и построения моделей должны идти в некотором смысле "гармонично". В истории катодной техники имеется хороший пример "негармоничности". К началу 80-х годов имелось определенное количество данных по идеальным системам, которые должны были бы служить основой для моделей термокатодов  -  оксидного (ОК) и  WBa-катода. Но моделей их работы не было. Затем на термокатоды была обрушена вся мощь получивших к тому времени распространение методов анализа поверхности. Однако это не привело к пониманию работы ОК и WBa-катода, а что касается WBa-катода, так даже запутало ситуацию. В ситуации более простой  -  с LaB6-катодом  -  применение современных методов позволило установить структуру его поверхности, но случай WBa-катода оказался более сложен, и эта ситуация была распутана позже.

     

    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. Љ 5.

    3. Ашкинази Л.А., Коржавый А.П. Термоэлектронные и вторично-электронные катоды для ЭВП. Обз. по эл. техн. Сер.6. Материалы. 1986, Љ 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. Љ 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. Љ 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. Љ 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. Љ 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.


  • Оставить комментарий
  • © Copyright Ашкинази Леонид Александрович (leonid2047@gmail.com)
  • Обновлено: 17/02/2009. 299k. Статистика.
  • Учебник: Естеств.науки
  • Оценка: 8.32*10  Ваша оценка:

    Связаться с программистом сайта.