57 ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЕ ОКСИДНО-НИКЕЛЕВЫЕ КАТОДЫ - Страница 5

Кроме того, при рабочей температуре кальциево-стронциевого катода 1300 К имеет место сравнительно высокая скорость испарения никеля, являющегося материалом керна и губки катода, –  8*10-9 г/см2·с. Поэтому применение стронциево-кальциевого катода в высоковольтных долговечных приборах с повышенной электрической прочностью возможно только в лампах с низкотемпературными сетками, охлаждаемыми, в основном, за счёт теплопроводности, и с катодами, материалом керна и губки которых является более высокотемпературный, чем никель-рений [3].

 

3.6. Бипотенциальные оксидно-никелевые катоды

Для современных высоковольтных электронных приборов с сеточным управлением, к которым предъявляются требования обеспечения высокой электрической прочности, весьма важным является уменьшение температуры сеток до 670-720 К, т.е. до такой температуры, при которой на сетках не растут нитевидные монокристаллы (вискеры), являющиеся источниками автоэлектронной эмиссии и причиной низкой электрической прочности [48]. Эта задача решена с помощью крупноструктурных сеток, охлаждаемых, в основном, за счёт теплопроводности [49,50] и имеющих температуру 670-720 К. В приборах такой конструкции необходимо применение катодов, обеспечивающих высокий коэффициент токопрохождения, т.е. минимальный ток сеток.

Эту задачу решает оксидно-никелевый губчатый катод с чередующимися профильными эмитирующими и плоскими неэмитирующими участками [51]. По конструкции катод выполнен в виде никелевого цилиндра, на внешней боковой поверхности которого параллельно оси расположены чередующиеся прямоугольные пазы, на половину глубины заполненные никелевой губкой, пропитанной двойным эквимолярным карбонатом бария-стронция, –  эмитирующие участки, и плоские выступы, покрытые хромом, – неэмитирующие участки (рис. 3.8). Удельный привес двойного карбоната –  в 1,5 раза меньше привеса никелевой губки. Рабочая температура катода – 1150 К.

Общий вид нескольких ячеек бипотенциального профильного оксидно-никелевого катода в разрезе представлен на рис. 3.8. В таком катоде оптимальная фокусировка электронных пучков достигается как за счёт профиля эмитирующих участков, так и вследствие наличия контактной разности потенциалов между эмитирующими и неэмитирующими участками, которая достигает 3 эВ (при работе выхода электрона эмитирующих участков 1,6 эВ и неэмитирующих участков –  4,6 эВ). Поэтому катод называется бипотенциальным. В триоде неэмитирующие участки катода находятся под витками сетки. Об оптимальной фокусировке электронных потоков, созданных катодом, свидетельствуют результаты исследования токопрохождения в лучевых триодах с такими катодами – при плотности тока, отбираемого с катода в импульсе до 3,5 А/см,2 ток сетки практически отсутствует.

б

а

 

Рис. 3.8. Бипотенциальный оксидно-никелевый катод:

а –  несколько ячеек в разрезе;

б – расположение ячеек катода относительно сетки и анода  триода;

1 – никелевый керн катода;

2 – никелевая губка, пропитанная карбонатом ЩЗМ;

3 – слой хрома – антиэмиссионное покрытие;

4 – сетка;

5 – анод

 

Стабильность эмиссионных свойств катода при такой плотности тока подтверждена испытаниями на долговечность в течение 2000-3000 ч. За это время ни ток анода в импульсе, ни коэффициент токопрохождения не претерпели изменений и остались на начальном уровне. Это свидетельствует также об эффективности работы антиэмиссионного хромового покрытия на неэмитирующих участках катода. Оптимальная фокусировка электронных пучков в триодах с таким катодом позволила применить эти триоды в режимах регулирования при положительных потенциалах сетки [52,53]. При этом плотность тока, отбираемого с катода, втрое больше плотности тока, отбираемого с катодов со сплошным активным покрытием, применяемых в регулирующих лампах традиционной конструкции.

 

 

3.7. Катоды с плотным активным покрытием (пульверизационным)

Одним из наиболее простых способов увеличения плотности оксидного покрытия является усовершенствованный и оптимизированный метод пульверизации. Отличительной особенностью этого метода является увеличенное до 3-4 атмосфер давление распыления активного состава, при котором имеет место сверхзвуковое истечение воздушной струи [54,55]. Покрытия губчатых катодов, на которые нанесён двойной карбонат бария-стронция с помощью усовершенствованного метода пульверизации, характеризуются плотностью 2,0-2,6 г/см3, но количество карбоната, нанесённого на поверхность катода вдвое больше, чем количество никелевой губки. Удельный привес карбонатов 20-22 мг/см2, а никелевой губки - 10-12 мг/см2. Такое покрытие является промежуточным между покрытием оксидно-никелевого и обычного оксидного катодов. Сравнение оксидно-никелевого и оксидного катода с плотным пульверизационным покрытием при одинаковой рабочей температуре показывает, что катод с плотным покрытием характеризуется более высокой эмиссионной способностью. Это объясняется большей площадью активного вещества, так как поверхность таких катодов полностью покрыта оксидом.

Катоды с плотным покрытием отличаются и более высокой стабильностью эмиссионных свойств в режиме миллисекундных импульсов [56]. Вместе с тем электрическая прочность этих катодов ниже, чем оксидно-никелевых, так как поверхностный слой катода имеет более низкую электро- и теплопроводность, чем оксидно-никелевый катод, у которого активное покрытие равномерно распределено в порах никелевой губки по всей толщине.

 

3.8. Катоды с плазменным нанесением активного вещества

Плазменный метод нанесения активного вещества характеризуется тем, что порошок карбоната ЩЗМ вводится в струю плазмы инертного газа (в основном аргона), температура которой достигает 8000-11000 К, разлагается на окись ЩЗМ и углекислый газ, плавится и закрепляется на губке катода, образуя плотное покрытие [57-61]. При изготовлении оксидно-никелевых губчатых катодов таким методом на керн катода предварительно наносится губка из порошка карбонильного никеля с размером частиц 45-70 мкм, который припекается к керну катода в атмосфере водорода при температуре 1600-1630  К. Толщина слоя губки 150 мкм. Активное вещество –  тройной мелкозернистый карбонат (Ва,Sr,Са)СО3 с размером частиц 1-2 мкм. При плазменном напылении он заполняет поры губки и частично оседает на её поверхности, повторяя рельеф губчатого слоя. С целью увеличения плотности покрытия и его устойчивости к взаимодействию с атмосферным воздухом производится опрессовка покрытого катода при давлении 1,5 т/см2. После такого технологического цикла изготовления катода шероховатость покрытия 1-2 мкм, а его плотность 4,2-4,6 г/см3. Степень разложения карбонатов 60-70 %. В связи с высокой химической активностью образовавшихся окислов ЩЗМ, для повышения устойчивости катодов к гидратации при контакте с атмосферным воздухом их закрывают плёнкой из полибутилметакрилата.

В работе [57] показана также возможность получения плазменным методом активных покрытий из металлизированных окислов ЩЗМ при добавлении в порошок исходного карбоната до 5 % мелкодисперсного никеля.

Исследование эмиссионных свойств катодов в электронных приборах показало, что при давлении остаточных газов до 1,3*10-6 Па они устойчиво работают в режиме постоянного тока при плотности тока до 0,8-1,0 А/см2 при температуре 1070-1100 К в течение 2000 ч и в импульсном режиме (длительность импульса до 1000 мкс и частота следования импульсов 12 Гц) при плотности тока 4 А/см2 [57]. В режиме микросекундных импульсов при длительности импульса 2 мкс, частоте следования 50 Гц и температуре 1170 К достигнута плотность тока 35 А/см2. Скорость испарения активного вещества при этой температуре 5*10-9 г/см2×c [58]. Сравнение скорости испарения активного вещества катода с плазменным нанесением карбонатов ЩЗМ и обычных оксидных катодов показывает, что в период обезгаживания и активирования в процессе откачки скорость испарения  Ва,ВаО у плазменных катодов меньше на порядок величины [62]. Оптимизация процесса плазменного нанесения карбонатов  на керны катодов ЩЗМ позволила получить однородные покрытия, не более чем на 0,1 эВ отличающиеся по работе выхода от оксидного катода с активным покрытием, нанесённым пульверизацией и с плотностью покрытия 1 г/см3 .

Катоды, изготовленные по оптимизированной технологии, применены в высоковольтных приборах с отбором тока в импульсном режиме 10-12 А/см2 и устойчивы к многократному воздействию серии электрических разрядов с амплитудой тока до 200 А [63]. Вместе с тем их электрическая прочность ниже, чем у оксидно-никелевых пропитанных катодов, у которых активное вещество заполнило поры никелевой губки, а на поверхности отсутствует специально нанесённый слой оксида. Так, если у катодов с плазменным покрытием критическая напряжённость электрического поля не более 60 кВ/см [57], то у оксидно-никелевых пропитанных катодов она достигает 90-110 кВ/см [15].

 

3.9. Катоды из металлизированных карбонатов

 

Стремление к повышению электро- и теплопроводности оксидного катода стимулировало исследования по металлизации карбонатов ЩЗМ.

Ранее применялись различные технологические приемы металлизации оксидного покрытия: механическое перемешивание порошков карбоната и 10 – 15 % никелевого порошка с размером частиц 1 – 3 мкм [64], образование частиц никеля при формиатной металлизации – добавление в карбонат ЩЗМ муравьино-кислого никеля в количестве 3 – 15 % (чистого никеля 0,9 – 5 %) [65]. Однако эти способы не позволили получить однородное активное покрытие. Исследовались и другие способы введения никеля в оксидное покрытие катода, но по тем или иным причинам они не позволили создать покрытие оптимального состава и свойств.

К настоящему времени определились два основных способа металлизации оксидного покрытия:

– осуществлением ионного обмена между частицами карбонатов ЩЗМ и ионами никеля из водного раствора [66, 67];

– осаждением основного карбоната никеля на частицах карбонатов ЩЗМ содой [68].

В связи с большими потерями вводимого металла и обеднением кристаллов тройного карбоната барием, а также невоспроизводимостью  параметров высоковольтных приборов по электрической прочности [69], что характерно для первого способа металлизации, при внедрении в конкретные приборы предпочтение отдано второму способу, который осуществляется в два этапа:

– осаждение на кристаллы тройного карбоната, диспергированные в водном растворе азотно-кислого никеля, оболочки из карбоната никеля, параметры кристаллической решетки которого наиболее близки карбонатам ЩЗМ;

– термическая обработка полученного материала в водороде для восстановления карбоната никеля до металла.