электровакуум.приборы (1084498), страница 8
Текст из файла (страница 8)
3.3. ВОЛЪФРАМОВЫЕ КАТОДЫ В настоящее время наиболее распространенным металлическим катодом является вольфрамовый (рис. 3.2), обладающий высокой температурой плавления 1(3683 + 20) К1, достаточной технологичностью (ковкостью и тягучестью). Последнее свойство позволяет изготовлять из него проволоку толпцтной от единиц микрона до нескольких миллиметров.
Рабочая температура катода составляет 2370 — 2600 К, Причем эффективность его мала и меняется от 2 до 10 МА/Вт. Это является основным недостатком вольфрамового катода. При температуре катода около 2500 К долговечность составляет более 1000 ч при плотности тока эмиссии до 0,5 А/см'.
Рпс. 3.2. Конструкции вольфрамовых катодов прямого на)сапа: а — двя пппнндрпческнх систем электродов; 0 — для плоских систем эпект- родов 35 Важным свойством вольфрамового катода является стабильность эмиссии, способность хорошо работать при небольших разрежениях (10'а Па), устойчивость к ионной бомбардировке под воздействием сильных электрических полей. Эти положительные свойства позволяют использовать вольфрамовые катоды в мощных высоковольтных лампах и рентгеновских трубках.
3.4. ПЛЕНОЧНЫЕ КАТОДЫ Пленочные катоды представляют собой металлическую поверхность, покрытую атомным или молекулярным споем другого злектроположительного вещества. Выше указьаалось, что подобные системы имеют существенно меньшую работу выхода электронов, чем катоды иэ чистых металлов (см. б 1.6) . К пленочным катодам относится торированный и карбиднрованный торированный вольфрам (карбицированный катод) (рис. 3.3). Катоды иэ торированного вольфрама в настоящее время полностью вытеснены карбидированнымн и полупроводниковыми катодами иэ-эа недолговечности ториевой пленки (активного слоя) на поверхности вольфрама при применении высокого анодного напряжения.
Устойчивость работы торированного катода повышается при его карбидировании, которое заключается в обработке вольфрамовой проволоки с примесью оксида тория в количестве 0,5 — 2% в парах углеводорода (например, бенэола) при температуре около 1600 К. При разложении бензола вьщеляется углерод, который диффундирует в глубь вольфрама и вступает в химическое соединение с ним. В результате на поверхности катода образуется карбид вольфрама й)аС (рис. 3.3, б). Экспериментальным путем установлено, что доля поперечного сечения проволоки, превращенного в карбид, должна составлять 30%.
Дальнейшее увеличение процента карбидирования приводит к повышению хрупкости катода. Процесс активирования катода происходит в вакууме в два этапа при температуре около 2800 К в течение 1 — 2 мин и при пониженной температуре (2000 †23 К) в течение 15-20 мин. В результате активирования происходит формирование одноатомной пленки торна на слое карбида. Ь акт с а) Рис.
3.3. СУРУктУРа торированного (а) и карбидироианного (б) катодов 36 П исутствие слоя карбида вольфрама увеличивает прочность сцеп- Р пения пленки тория с поверхностью подложки (УУаС) по сравнению с поверхностью чистого вольфрама„повышает устойчивость катода к ионной бомбардировке при высоких анодных напряжениях. К недостаткам данного типа катода следует отнести хрупкость, а также склонность покрываться трещинами лри многократном нагреве и охлахсцении из-эа различия коэффициентов расширения вольфрама и карбида вольфрама. Рабочая температура катода приблизительно 2000 — 2600 К, удельная эмиссия 1,0 — 2,0 А/см, эффективность 50— 70 мА/Вт.
Конструкции карбицированных катодов аналогичны вольфрамовым. 3,5. ОКСИДНЫЕ КАТОДЫ Из оксидных катодов наибольшее распространение получили катоды иа основе оксидов щелочноэемельных металлов и оксндно-ториевые. Катоды на основе оксидов щепочноземельных металлов представляют собой (после операции активирования) металлический керн (подложку), поверхность которого покрыта окислами щелочно-земельных металлов — бария, стронция и иногда кальция.
Зти оксиды хими. чески нестойки, вступают в реакцию с влагой и углекислым газом. По этой причине их наносят на керн катода в виде карбонатов. Применение других химических соединений щелочноземельных металлов нецелесообразно по разным причинам. Например, аэотнокислые соли, разлагаясь, выделяют вредные активные газы„окисляющие детали прибора и сам керн катода.
Рассмотрим один из способов изготовления оксндных катодов. Основой катода является металлический керн различной конструкции. В качестве материалов керна чаще всего используют различные сорта никеля, вольфрама или их сплавов с присадками (магний, вольфрам, кальций, цирконий и др.) . Присадки служат активаторами, способствующими образованию свободного бария в оксидном покрьпии. На обработанный керн катода наносят карбонатную суспензию (Ва, Яг)СОа — двойной карбонат или (Ва, Яг, Са)СОз — тройной карбонат, замешанную на связующем органическом веществе — биндере (рис. 3.4,а).
После нанесения карбонатной суспенэии и последующей сушки качество катода контролируют, т. е. определяют массу, толщину и состояние поверхности покрытия катода. Затем заготовку катода монтируют в прибор и дальнейшую обработку ее ведут на вакуумной установке, где она подвергается обезгаживанию, а затем активированию. Обезгаживанне производится прокаливаннем катода. При этом происходит разложение карбонатов на оксиды и газ СОа, который удаля- 37 г а) .1 Ф Х Ф1 Рнс.
3.4. Структура оксндного катода; а — после нанесения карбонатного покрытия: б — после разложения кербонатного покрытия; в — после актнаироаяния катода; ! — керн; 3 — карбонатное покрьпие; 3 — оксиды щелочноземельных металлов; 4 — звпирающий слой; 5 — атомы свободного бария ется во время откачки.
Структура катода после обезгаживания представляет собой твердый раствор (Ва, Яг, Са) (рис. 3.4, б) . Активирование катода заключается в кратковременном нагреве его до температуры 1250 — 1300 К при одновременной подаче на анод положительного напряжения. При этом в толще оксидиого слоя образуются атомы свободного бария. В процессе формирования структуры оксидного катода протекают следующие реакции; при высокой температуре и высоком вакууме термическая диссоциация окисла бария 2ВаО.+ 2Ва+ От ,' взаимодействие окислов бария с углеродом или окисью углерода 2ВаО + С -+ 2Ва + СО,; электролиз окиси бария при прохождении сквозь оксидный слой тока ВаО- Ва" +О . Введение припадок в материал керна наряду с улучшением процесса активирования дает нежелательный эффект.
За счет образования оксидов и солей присадок, в частности Ват З10е, в приграничном слое керн — оксид создается запирающий спой (рис. 3.4, в), обпацающий значительным омнческим сопротивлением и препятствующий отбору тока. 38 восстановление бария из окиси в результате воздействия активиРующих присадок керна 2ВаО+ Я1-+ 2Ва+ З10т; Дпя окончательного актпвирования катод в готовом приборе подвергается специальной электрической обработке — тренировке, в результате которой катод приобретает стабильную высокую эмиссию.
Оксидный катод в готовом приборе после операции активирования и тренировки представляет собой металлический керн, на поверхности которого находится твердьй раствор оксидов бария, строндия и кальция. Атомы бария, равномерно распределяясь в толще и на поверхности слоя оксидов, превращают последний в примесный полупроводник гьтипа. Присутствие окиси стронция и кальция в трехкомпонентном оксиде способствует увеличению эмиссионной способности катода и его прочности.
В некоторых приборах эмиссия с оксидных катодов происходит в течение коротких импульсов, что достигается импульсной подачей анодного напряжения. В таком режиме при длительности импульса около 10 мкс и скважности 100 плотность тока может достигать 15— 20 А/сма. Возможно получение плотности тока до 100 А1сма при длительностях импульсов не более 1 — 2 мкс (с таких же катодов в непрерывном режиме получают плотность тока 0,5 А/смэ) . Резкое увеличение эмиссионной способности оксидного катода в импульсном режиме объясняется наличием у поверхности катода внешнего ускоряющего электрического поля.
С увеличением длительности импульсов и частоты посылок плотность тока уменьшается и приблилается к плотности тока, соответствующей непрерывному режиму. За время паузы катод восстанавливает свои эмиссионные свойства. Уменьшение тока эмиссии оксидного катода в течение действия импульса происходит в основном из-за наличия запирающего слоя на границе о ксид — керн. Оксидный катод получил наиболее широкое распространение в электровакуумных приборах — электронных лампах, приборах СВЧ, электронно-лучевых и газоразрядных приборах. Основными преимуществами оксидного катода являются малая работа выхода (1,1 — 1,2 эВ), высокая эффективность (около 100 мА/Вт), высокая эмиссионная способность при относительно низкой рабочей температуре — приблизительно 900 — 1100 К.
Из недостатков оксидного катода следует отметить: отравление его остаточными газами (О,, СО, Нт О) и как результат снижение эмиссионной способности; недостаточно прочное сцепление оксидного слоя с керном катода; разрушение оксидного слоя под действием сильных электрических полей и при бомбардировке его ионами; повышенное сопротивление запирающего слоя, которое может привести к искре. нию, пробоям и соответственно превышеншо температуры и разрушению катоца. Дпя увеличения поверхности контакта оксидного покрытия с керпом катода ее покрывают губкой, поры которой заполняет активное эмиссионное вещество. Такие катоды называют синтерированными или мегаллогубчатьгяти. Основным материалом губки, используемым 39 для изготовления синтерированных катодов, является порошок никеля с размером частиц от 20 до 200 мкм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
