Ашкинази Л.А. - Эмиссия, страница 2

Оксидным катодом обычно называют 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. Оксидные катоды на протяжении десятилетий обеспечивали существование всей электронной техники, включая радио и телевидение, поскольку применялись во всех электронных лампах и кинескопах. Много десятилетий потрачено было на поиск оптимальных размеров кристаллов, толщины и плотности покрытия, состава соединения щелочноземельных металлов, технологии изготовления. 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). Металлический керн, как правило, изготовлен из никеля с присадкой (порядка сотых или десятых долей процента) активатора, чаще всего - кальция, магния, иногда - кремния. В 1980-е годы стало ясно, что срок службы оксидного катода не просто определяется температурой, но и зависит от эмиссионного тока, ибо ток вызывает разогрев катодного покрытия, 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. 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. Другой вариант - 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.

Низкой работой выхода обладает, по-видимому, структура ВаО на решетке двойного оксида SrO-CaO. 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.

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.

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. При длительностях импульса 1 - 10 - 100 мкс - 1 - 10 - 100 мс предельные токоотборы составляют соответственно 200 - 50 - 20 - 5 - 3 - 2 А/см². При этом скважности, к которым относятся эти данные, составляют обычно 10³ для импульсов короче 30 мкс и 10-10² - для импульсов длиннее 30 мкс. Данных о работе катодов в импульсном режиме немного, но в целом видно - 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). 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. 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. Данных по сроку службы в импульсном режиме мало, при скважностях более 100 и микросекундных импульсах, при токоотборе 3 - 10 - 30 А/см² рекордно достижимые значения срока службы составляют 50.000 - 2.000 - 500 ч.

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, работающего при 750 - 850№С, после 100 ч. работы поток испарения составляет 10^-11 - 10^-10 г/см²с. 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.

Оксидные катоды почти монопольно применяются в приемно-усилительных лампах и кинескопах, а в СВЧ-приборах (ЛБВ, клистронах) - в случае, когда плотность тока, требуемая в данном приборе, 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.

Импрегнированные (диспенсерные, распределительные) катоды имеют 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 бария. Отсюда - название "импрегнированный", хотя нередко катод изготавливают прессованием смеси вольфрама и соединения бария. Барий доходит до поверхности и распределяется по ней, отсюда - название "диспенсерный".

В дальнейшем было установлено, что эмиссия WBa-катода существенно улучшается при нанесении на него тонкой (единицы мкм) пленки Os (осмия) или сплава Os-Ru, что более удобно технологически. В качестве активного вещества в WBa-катоде применяются сплавы оксидов ВаО, СаО, Аl₂О₃, WO₃ в различных соотношениях. 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. 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 должны как-то доставляться, видимо, по механизму поверхностной диффузии по вольфраму. Наконец, было показано расчетом, что при относительно больших потоках бария и кислорода образуются кристаллы и монослой, при малых - монослой.

Параметры этих катодов таковы. 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. 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 около 100 для импульсов длительнее 30 мкс. Реально используемые в приборах плотности тока меньше по крайней мере в два раза. 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. При стационарном токоотборе 0,3 - 1 - 3 - 10 - 30 А/см² рекордные достигнутые значения срока службы - 200.000 - 200.000 - 100.000 - 30.000 - 1000 ч. Одинаковые предельные значения для токоотбора 0,3 А/см² и 1 А/см² означают, что испытания длительностью более 200.000 ч (22 года в непрерывном режиме) не проводились. При скважностях более 100, микросекундных импульсах и токоотборах 10 - 30 - 100 А/см² рекордно достижимые значения срока службы составляют 10.000 - 5.000 - 300 ч. Реально используемые в приборах плотности тока и в этом случае меньше по крайней мере в два раза.

Поток массы при испарении катодов с диффузионным механизмом ограничения (катоды с губкой и активным веществом в ее порах) убывает пропорционально времени в степени минус 1/2. После 100 ч работы при 1000 - 1200№С скорость испарения составляет 3^.10^-11 - 7^.10^-10 г/см²с. 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. Состав продуктов испарения - Ba (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. 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).

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, часто должны находиться 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, или 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 (золото), Ti (титан), комбинация Au + Ti. Успешно испытывались покрытия SnNi, SnGeNi, ZrSn, С (углерод). В паре с WCTh-катодом применяются Тi, С, ZrC + Pt.

Другим вариантом применения антиэмиссионного вещества может быть деталь, непосредственно контактирующая с катодом. Это может быть сетка или иные элементы, непосредственно вмонтированные в эмиссионную поверхность, или участки катода, которые не должны эмитировать и не покрыты эмиссионным покрытием. 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 (гафний), с LaB₆-катодом - углерод, с ОК - очевидно, Ni (никель), как классический материал керна.

ЭМИССИЯ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ

Термоэлектронная эмиссия определяется величиной потенциального барьера на выходе из твердого тела и энергией пытающихся его преодолеть электронов. Разумеется, 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 выйдет из строя. Рассмотрим способы создания большого поля и соответствующие типы эмиттеров.

Эмиссия из островковых пленок