Лекция 2. Вакуум и катоды (1095400), страница 2
Текст из файла (страница 2)
И, соответственно, электроны не могут выйти изкатода на значительное расстояние. При нагревании вещества скоростьэлектронов быстро возрастает и, когда проекция скорости на нормаль кповерхности достигнет величины 7)cd@, электроны вылетают за пределыповерхности. Температурная зависимость плотности термоэмиссииэлектронов выражается уравнением Ричардсона – Дешмана:ef =Vcd) * KLJ,где ef – максимальная плотность тока эмиссии (ток насыщения), А/см2;*)∙ град*) ;V = 120 А ∙ см– температура эмитирующей поверхности катода, °К;B = 8,62 ∙ 10*+ эВ/K – постоянная Больцмана.На рис.7 приведен график зависимости тока, получаемого с катода, оттемпературы эмиттера или подводимой к катоду мощности.Рис.7.
Зависимость тока эмиссии с катода от его температуры припостоянном анодном напряжении.На графике обозначены:– характеристическая температура катода;А – точка перехода катода из режима пространственного заряда в режимнасыщения, соответствующая температуре катода ;Б – зона рабочих температур катода.Рассмотрим простейший электровакуумный прибор – диод и еговольтамперную характеристику, т.е.
зависимость тока, протекающего в цепианода от анодного напряжения. На рис.8 приведены механизмы,определяющие протекание тока через диод с термокатодом, в зависимости отприкладываемого к промежутку катод – анод напряжения.Рис. 8.
Механизмы, определяющие протекание тока через диодТ.к. отрицательный пространственный заряд электронов,эмитированных с катода и находящихся вблизи него, первоначально снижаетвоздействие анодного напряжения (нулевая эквипотенциаль не совпадает споверхностью катода), то быстрый рост тока, поступающего на анод, сростом напряжения ограничивается этим зарядом. По мере увеличенияотбора электронов от катода рост тока замедляется, и величина тока анодапрактически постоянной (режим насыщения).Закон Чайлда–Ленгмюра для плоскопараллельного диода, работающегов режиме ограничения пространственным зарядомj= k/)Для плоскопараллельного диода с расстоянием между катодом ианодом, равным D, и площадью катода величина l, которая называетсяпервеансом, равнаl = 2,33 ∙ 10*.D)Величина первеанса зависит от конфигурации и размеров электродов иявляется характеристикой данного диода.Далее рассмотрим типы термокатодов, применяемых в ЭВП.
КатодЭВП должен отвечать ряду специфических требований. Он долженэмиттировать стабильный поток электронов, в течение всего срока службыбыть устойчивым к бомбардировке нейтральными и заряженными частицами(положительными ионами остаточных газов), иметь низкую скоростьиспарения.Первоначально в ЭВП в качестве катодов использовались чистыеметаллы. В табл. 3 приведены эмиссионные свойства некоторых металлов.Табл.3. Эмиссионные свойства некоторых металловМеталлWTaReMoCPtNiBaТочкаТемператураплавления, °К при давлениипара 10*W ммрт. ст., °К364025203270237034402430289019704400203020501650173010701120580Работавыхода, еВ4,544,14,74,154,355,44,12,11Удельнаяэмиссия,/см)4 ∙ 10*C6 ∙ 10*C26 ∙ 10*C5 ∙ 10*20 ∙ 10*2 ∙ 10*T5 ∙ 10*X1 ∙ 10*CCЧем меньше работа выхода, тем больше эмиссия при той жетемпературе и том же напряжении внешнего поля.
С другой стороны, длястабильной работы катода важно, чтобы температура , при которойначинается его нежелательное испарение, была как можно выше. Отсюдапонятно, что чем меньше отношение Ja/ , тем лучше катодныехарактеристики данного металла.Табл.4МеталлтанталвольфрамниобиймолибденJa/ , эВ/°1,72 ∙ 10*1,77 ∙ 10*1,91 ∙ 10*2,16 ∙ 10*Наибольшее распространение в качестве металлических катодов ЭВПполучил вольфрам, который при температуре 2500°К обеспечиваетмаксимальную плотность тока эмиссии 0,5 /см*) .Применение катода стакой высокой рабочей температурой приводит к нагреву окружающих егодеталей, напылению на изоляторы и ряду других неприятных моментов.
Дляснижения работы выхода применяют торированный вольфрам (вольфрам сдобавками окиси тория) и карбидированный торированный вольфрам,который имеет более низкую рабочую температуру (порядка 2000°К). Однакоследует отметить, что в настоящее время вольфрамовые катоды очень редкоиспользуются в мощных ЭВП СВЧ из-за достаточно низкой удельнойплотности тока эмиссии (≈ 0,5 А/см) ). В частности он использовался припроизводстве магнетронов для микроволновой печи. Приведенный на рис.5прямонакальный катод как раз и является катодом магнетрона М-150,использованном в микроволновой печи, изготавливаемой нашимпредприятием.Для повышения эффективности термокатодов используют специальныеэмиттирующие вещества с малой величиной работы выхода.
Различаюткатоды с поверхностным покрытием эмитирующей поверхностиспециальными веществами и пропитанные активным веществом катоды.К первой группе относятся так называемые оксидные катоды, вкоторых активное вещество в виде карбонатов редкоземельных металлов –бария, стронция, кальция наносят в виде покрытия на металлическуюподложку (керн), обычно изготовленную из никеля. При термическойобработке электровакуумного прибора, например во время откачки,карбонаты переходят в окислы по реакции opQq = opq + Qq) ивыделившийся углекислый газ удаляется из прибора. Благодаря низкойработе выхода оксидные катоды отличаются невысокой рабочейтемпературой и большой долговечностью.Ниже на рис.9 приведены зависимости плотности тока эмиссииоксидного катода от выбора его рабочей температуры (из ОСТа).Рис.
8. Зависимость плотности тока эмиссии с оксидного катода оттемпературыК недостаткам оксидного катода следует недостаточно высокаяплотность эмиссии для использования в мощных приборах и высокаячувствительность к вакуумному состоянию прибора.Применение металлопористых пропитанных (импрегнированных)катодов позволяет определенным образом устранить эти недостатки. Такиекатоды изготавливают в виде пористой таблетки из вольфрамового порошка,а затем пропитывают активным веществом.
В качестве активного вещества,заполняющего поры таблетки, применяют вольфраматы и алюминаты бария,Cкальция, стронция (3opq ∙ r) q ∙ Qpq). При взаимодействии их с)вольфрамом эмиттера образуются свободные барий, стронций и кальций,которые мигрируя из толщи катода на поверхность, обеспечивают эмиссиюкатодов.Импрегнированные катоды обеспечивают при температуре1050 − 1100℃ плотность тока эмиссии 1 − 3 А/см) в непрерывном режиме,5 − 10 /см) в импульсном. Для снижения рабочей температуры такогокатода его эмитирующую поверхность часто покрывают микронным слоемосмия.Рис.9. Зависимость плотности тока эмиссии металлопористого(импрегнированного) катода, покрытого пленкой осмия и работающего внепрерывном режимеВ настоящее время импрегнированные катоды получили наиболееширокое применение в ЭВП СВЧ.Приведенные выше зависимости обычно используются разработчикамиЭВП СВЧ при проектировании приборов.Существуют еще другие типы катодов, которые используются в ЭВПСВЧ, но останавливаться на них не представляется возможным в объемеодной лекции.
Следует только упомянуть автокатоды, которые все чащеиспользуют при разработке новых приборов. В частности на нашемпредприятии создана целая гамма магнетронов с холодными катодами,которые в отличие от термокатодов имеют мгновенное время запуска, т.к. нетребуется разогревать катод до рабочей температуры, и значительнобольшую долговечность. Кроме того при их использовании нетнеобходимости в наличии источника питания подогревателя..
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
