57 ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЕ ОКСИДНО-НИКЕЛЕВЫЕ КАТОДЫ - Страница 2

Нанесение второго слоя атомов должно снова повышать работу выхода, т.к. образование диполей или ионов во втором слое менее вероятно. При нанесении нескольких слоёв атомов работа выхода должна соответствовать чистому веществу плёнки. Энергетическая диаграмма плёночного металлического эмиттера представлена на рис. 2.3.

Таким образом, уравнение термоэлектронной эмиссии оксидно-никелевого катода можно представить состоящим из двух частей. Первая часть – это уравнение термоэлектронной эмиссии оксидного катода – примесного полупроводника, полученное впервые Т.П. Козляковской и Г.А. Тягуновым, вторая часть – уравнение термоэлектронной эмиссии плёночного металлического катода  [9,10].

Полный ток термоэлектронной эмиссии оксидно-никелевого катода в амперах определяется следующим выражением:

I=S1∙10-6(1-`r)(n1)1/2T5/4∙exp+S2А(1-`r)T2∙exp ,            (2.3)

где S1,S2 – полные площади, занимаемые участками донорного полупроводника и металлического плёночного катода соответственно;

n1 – концентрация донорных уровней, расположенных на глубине Ed от дна зоны проводимости; x – ширина зоны проводимости;   –  полная работа выхода донорного полупроводника, т.к.   – уровень Ферми; `r – усредненный  по энергиям коэффициент отражения электронов  от наружного потенциального барьера;  A = 1,2∙106 ; Т – температура катода, К;    к  –  постоянная Больцмана, к=1,38*10-23 Дж/К.

 

 

Рис. 2.3.  Энергетическая диаграмма пленочного металлического эмиттера,  Wоп=W0 - -4p Npa.

 

Приведённое уравнение термоэлектронной эмиссии охватывает две группы принципиально различных по физической природе эмиттирующих областей; донорные полупроводники и плёночные металлические эмиттеры. Учитывая, что внутри этих областей есть участки с различной работой выхода, расчёт полного тока термоэлектронной эмиссии оксидно-никелевого катода следует проводить с учётом площадей, занимаемых этими участками.

Данные о работе выхода поверхности различных участков оксидно-никелевого катода представлены в табл. 2.1.

3. ПРОПИТАННЫЕ КАТОДЫ

 

Созданные к настоящему времени оксидно-никелевые губчатые пропитанные катоды позволили решить основные задачи, поставленные перед термоэлектронными катодами такими электронными приборами, как водородные тиратроны, высоковольтные кенотроны, импульсные модуляторные лампы, генераторные приборы СВЧ. В водородных тиратронах повысилась устойчивость катодов против ионной бомбардировки, уменьшился существенно (до 30 °С) импульсный перегрев катодов при длительности импульсов до 1200 мкс и плотности тока, отбираемого с катода, –  до 10 А/см2 [13]. Установлена и достаточно высокая механическая прочность активного покрытия оксидно-никелевых катодов, особенно покрытия с внесённым в него мелкодисперсным никелевым порошком [14].

В высоковольтных электровакуумных диодах с оксидно-никелевыми катодами при длительности импульса до 10 мкс критическая плотность тока, при котором начинается искрение катода, находится на уровне 20-22 А/см2 , а критическое значение напряжённости электрического поля у поверхности катода при его положительной полярности и импульсном напряжении достигает 90-110 кВ/см [15].

Отличаются оксидно-никелевые катоды и высокой устойчивостью против разрушения при внутриламповых электрических пробоях. Количество частиц оксида, образующихся при пробоях у этих катодов при энергии пробоя 0,1 Дж, в 2-4 раза меньше, чем у синтерированных оксидных катодов, как при отрицатель-

Таблица 2.1

 

 

Элемент, соединение, металл

Работа выхода, эВ

Примечание

Литература

Никель (Ni)

4,5

-

[11]

Барий (Ва)

2,49

-

[11]

Стронций (Sr)

2,35

-

[11]

Кальций (Са)

2,8

-

[11]

ВаО

0,99-2,7

-

[11]

ВаО

1,57-1,63

Толстый пористый слой

[4]

ВаО

1,6-2,0

Плёнка

[4]

ВаО

1,72

Отдельные кристаллы

[8]

SrO

1,25-2,58

-

[11]

SrO

1,65-1,75

Толстый пористый слой

[4]

SrO

2,2

Плёнка

[4]

SrO

2,12

-

[8]

CaO

1,39-2,53

-

[11]

CaO

2,1-2,2

Толстый пористый слой

[4]

CaO

2,5

-

[8]

BaO - Ba

1,14-1,26

-

[11]

BaO – Ba

1,0-1,05

-

[4]

SrO – Ba

1,34-1,4

-

[11]

SrO – Ba

1,13-1,15

-

[4]

CaO – Ba

1,25-1,39

-

[11]

CaO – Ba

1,3-1,4

-

[4]

Ni – Ba

2,6

-

[11]

Ni – Ba

1,45

-

[8]

Ni - BaO

1,27-1,35

-

[11]

Ni – Sr

1,72

-

[8]

Ni – SrO

2,0

-

[11]

Ni – BaO+ SrO

1,062-1,24

-

[11]

(BaSr)O

1,2-1,26

Твёрдый раствор

[11]

(CaSr)O

1,6

Твёрдый раствор

[11]

(CaSr)O

1,62

Твёрдый раствор

[8]

(BaSrCa)O

1,1-1,35

Твёрдый раствор

[11]

(BaSrCa)O

1,45

Твёрдый раствор

[8]

BaO+SrO+CaO

1,9

Смесь окислов

[11]

BaO+SrO+CaO

1,92

Смесь окислов

[8]

Оксидный катод

1,55-1,65

1150 К

[4]

Оксидно-никелевый губчатый катод

1,8

1150 К

[12]

 

 

ной полярности, соответствующей режиму работы генераторных и модуляторных ламп, так и при положительной полярности, соответствующей рабочему режиму высоковольтных кенотронов [16].

Проведённые в последние годы исследования разрушения оксидно-никелевых пропитанных катодов при пробоях показали, что решающее влияние на надёжность работы и долговечность высоковольтных импульсных модуляторных ламп с этими катодами оказывает не энергия одиночного пробоя (в пределах от 1,3 до 135 Дж), а суммарная энергия пробоев за определённый интервал времени. При этом величина суммарной энергии пробоев, позволяющей обеспечить долговечность приборов с оксидно-никелевыми пропитанными катодами не менее 1000 ч при допустимом снижении величины тока анода в импульсе не более, чем на 10 %, при плотности тока до 1,55 А/см2 находится в пределах 5000-7000 Дж [17-19].В мощных клистронах с оксидно-никелевым пропитанным катодом, изготовленным по традиционной технологии, достигнута средняя долговечность 2800-3000 ч при долговечности отдельных образцов 10000-11000 ч [20]. В импульсных модуляторных лучевых триодах с оксидно-никелевым пропитанным катодом электрические параметры, являющиеся критериями долговечности, за время испытания в течение 3000 ч не изменились [17].

Результаты сравнительного исследования скорости испарения активного вещества с оксидно-никелевого губчатого пропитанного катода и с обычных оксидных катодов свидетельствуют о том, что несмотря на более высокую рабочую температуру (1140 К) скорость испарения активного вещества (бария и его окисла) с губчатого катода вдвое меньше, чем с оксидного катода при температуре 1090 К [21].

Наряду с увеличением электропроводности и теплопроводности, одним из важнейших направлений совершенствования оксидного катода является уменьшение скорости испарения активного вещества и загрязнения поверхности электродов ламп продуктами испарения оксидного катода.

При напылении продуктов испарения катода на поверхность сеток и анодов высоковольтных импульсных модуляторных ламп резко снижается их электрическая прочность, возрастают термотоки сеток, что приводит к проплавлению анодов и гибели приборов. Наличие на поверхности анодов продуктов испарения катода приводит к снижению эмиссионной способности катода, вследствие его дезактивирования кислородом, выделяющимся при разложении на аноде окислов под действием электронной бомбардировки с катода.

Как известно [4], наиболее сильное загрязнение электродов продуктами испарения оксидного катода происходит в процессе откачки. Количество испаряющегося в этот период бария и его окиси по отношению к их общему количеству в оксидном покрытии достигает 6 %, а скорость испарения на порядок больше, чем в последующие 110-120 ч работы. Плёнки поверхностных загрязнений электродов, образовавшиеся в период откачки, оказывают наиболее сильное влияние на электрическую прочность высоковольтных импульсных модуляторных приборов [22,23]. Отсюда следует вывод о необходимости опробования предварительной термической  обработки катода, включая операцию разложения карбонатов, до его монтажа в прибор.

Другим путём уменьшения поверхностных загрязнений электродов продуктами испарения оксидно-никелевого катода в период откачки является изготовление оксидной массы, которой покрывают катод не из карбонатов, а из окислов ЩЗМ, тем самым исключая операцию разложения карбонатов из технологического процесса откачки ламп.

Уменьшения скорости испарения активного вещества из катода в течение срока службы (особенно в начальный период 50-100 ч) можно добиться выполняя оксидно-никелевый катод с активным двухслойным покрытием, нижний слой которого состоит из двойных или тройных карбонатов ЩЗМ, а верхний - из карбоната стронция или кальция. Наконец, двухслойный катод с активным покрытием из окислов ЩЗМ должен решить проблему существенного уменьшения скорости испарения активного вещества из катода и поверхностного загрязнения электродов как в период откачки, так и в течение срока службы прибора.

Одним из наиболее очевидных путей уменьшения количества активного вещества, испаряемого оксидно-никелевым катодом, является снижение его температуры. Такая возможность обеспечивается при введении в керн катода активатора в виде циркония [24,25].

Представляет интерес катод на основе карбонатов стронция и кальция  [26], у которого, несмотря на более высокую рабочую температуру, чем у бариево-стронциевого катода, скорость испарения активного вещества (главным образом стронция и его окиси) на порядок величины меньше, чем у традиционного оксидного катода Ba и BaO.

Для мощных электронных приборов с сеточным управлением принципиальное значение имеет обеспечение высокого токопрохождения, т.е. минимального тока сеток. Эта задача решается применением оксидно-никелевого катода с чередующимися эмитирующими и неэмитирующими участками, т.е. бипотенциального катода.

Стремление к дальнейшему увеличению электро- и теплопроводности  оксидно-никелевого катода определило направление работ  по металлизации карбонатов ЩЗМ, по созданию оксидного покрытия повышенной плотности: с помощью усовершенствованного метода пульверизации, а также по применению метода плазменного напыления активного вещества.

 

 

 

3.1. Предварительная термическая обработка катода вне лампы

 



 
деятельности педагога психолога