# Оптимизация кратковременного перегрева для увеличения срока службы оксидного катода

Леонид Александрович Ашкинази

УДК 621.385.032.21


Оптимизация кратковременного перегрева для увеличения срока службы оксидного катода


Л.А. Ашкинази


Московский государственный институт электроники и математики (МИЭМ)


Рассмотрен метод увеличения срока службы оксидного катода путем периодического кратковременного перегрева, найден оптимальный режим и предельная эффективность метода.


Из практики известен способ увеличения срока службы оксидного катода (ОК) путем кратковременного перегрева [1]. Механизм явления неясен, его теория отсутствует, ни теоретическая, ни экспериментальная оптимизация режима обработки не проводилась. Данная работа посвящена установлению механизма явления и выбору оптимального режима обработки.


В процессе работы ОК поток ВаО поступает на поверхность кристаллов, и обеспечивает на их поверхности необходимую для наличия эмиссии концентрацию ВаО [2]. По мере увеличения времени работы поток, концентрация и эмиссия уменьшаются и катод выходит из строя. Согласно [3] изменение работы выхода на 0,15-0,03 эВ, влекущее изменение эмиссии в 5-1,2 раза, соответствует изменению поверхностной концентрации на C = 0,1-0,02 монослоя. Далее будем исходить из этих цифр, считая их крайними пределами.


Пусть катод проработал при температуре Т в течение срока службы t и поток уменьшился до предельной величины N. Затем температура катода Т увеличена на Т на время t, при этом поток увеличился на N, затем температура возвращена к исходному значению Т. Полагаем, что распределение концентраций в катоде за время t изменилось пренебрежимо мало. Тогда в течение времени t поток постоянен и пропорционален коэффициенту диффузии D.


Полагаем, что весь поток N расходуется на увеличение поверхностной концентрации. Это имеет место, если используются перегревы Т > 50 K, т.к. в этом случае большее увеличение D (и, следовательно N) по сравнению с увеличением скорости испарения делает учет испарения не обязательным. Использовать режимы Т < 60 K нежелательно, т.к. в этом случае заметная часть ВаО расходуется зря. Так, при Т = 50-100 K D (и N) увеличивается в 30-1000 раз, а скорость испарения в 10-100 раз, таким образом при Т 100 K теряется лишь 10% ВаО, а при Т = 50 K - уже 30%.


При этих предположениях пары значений Т, t определяются условием tТ = С. При 700-750-800оС искомое t составит:

1) при Т = 50 K и С = 0,02 - 1 час - 5 минут - 30 сек соответственно,

2) при Т = 100 K и С = 0,02 - 3 мин - 20 сек. - 3 сек,

3) при Т = 50 K и С = 0,1 - 30 час - 2,5 часа - 15 мин,

4) при Т = 100 K и С = 0,1 - 1,5 часа - 10 мин - 1 мин.


Продолжительность работы после процедуры перегрева равна времени испарения накопленной концентрации и составит для 700-750-800оС при С = 0,02 монослоя 20-2-0,2 ч соответственно, для С = 0,1 монослоя - 500-50-5 ч соответственно. Таким образом, эффект больше, если катод работает с большим запасом эмиссии и для исходного пятикратного запаса достигает 1-2% срока службы. В относительных величинах это немного, но для, скажем, рабочей температуры 700оС абсолютная величина "дополнительного" срока службы составит уже 500 ч.


Рассмотрим возможность повторной обработки. Работа ОК после первой же указанной процедуры возможна в режиме "подкачки" концентрации на поверхности. При этом каждый раз требуются все больше Т, т.к. градиент концентрации падает. Если Т не ограничена (например сроком службы нагревателя), то срок службы будет определяться полным испарением активного вещества при скорости испарения порядка N, т.е. для Т = 840-730оС, когда расход активного вещества до "естественного" конца составляет 3-0,4%, срок службы теоретически может быть увеличен максимум в 30-200 раз (для стандартного "плотного, 20 мкм" покрытия [2]). Возможно, что в устройствах, работоспособность которых зависит от катода, имеет смысл применять автоматические схемы, отрабатывающие перекал при уменьшении тока катода ниже допустимого.


При многократных обработках каждая "добавка" срока службы будет составлять около 1% от "основного" срока службы. Считая что профиль концентрации эволюционирует в таком режиме и режиме с постоянной температурой одинаково, получаем, что N от обработки к обработке уменьшается на 0,5% (т.к. N пропорционально t-1/2). Поэтому, чтобы обработка занимала каждый раз одно и то же время, температуру обработки надо увеличивать каждый раз на 0,07 K, либо, что удобнее, увеличивать время обработки каждый раз на 0,5%. При этом контроль достижения оптимального активизированного состояния может контролироваться по восстановлению импульсной эмиссии. Оценка эффекта увеличения срока службы и оптимальных увеличений температуры и времени обработки может быть сделана и точнее, но практически процесс должен задаваться не программно, а "управляться" от значений тока катода, т.к. существует разброс условий эксплуатации (в частности, вакуумных).


На практике одновременно с перегревом катода часто подают напряжение на модулятор. При этом (как при возникновении разряда в зазоре катод-модулятор, так и при его отсутствии) может происходить очистка модулятора от загрязнений. В зависимости от сочетания перегрева и удаления веществ с модулятора может происходить отравление или активирование катода. Если очистка модулятора и нужна, то ее режим должен выбираться так, чтобы при этом не отравлялся катод, и она зависит от предыстории прибора, чистоты материалов и т.д. и может быть выбран лишь экспериментально.


Литература


1. Адамович В.Н., Бриллиантов Д.П., Кочура А.И. Вторая жизнь

цветных кинескопов. - М.: Радио и связь, 1992.

2. Ашкинази Л.А.// Поверхность, физика, химия, механика. 1982. ╧ 10.

C. 88.

3. Никонов Б.П. Оксидный катод. - М.: Энергия, 1979.


Optimization of Short-Term Overheating of Oxide Cathode for Increasing Its Lifetime


L.A. Ashkinazi

Moscow State Institute of Electronics and Mathematics (MIEM)


A method for increasing the lifetime of oxide cathode by periodic short-term overheating is proposed. The optimal mode of operation and maximum efficiency are established.