Экономичность (эффективность) катода

[ ]

Показывает, как ток эмиссии можно получить от катода на каждый ватт мощности, затраченной на его разогрев.

6. Долговечность катода (Д) – время в часах, в течение которого экономичность сохраняет значение до 80% от номинального значения при нормальных условиях эксплуатации.

Термоэлектронные катоды классифицируют:

а) по материалу;

б) по состоянию микроструктуры эмитирующей поверхности;

в) по способу нагрева в период эксплуатации

По материалу ТЭ катоды разделяются на две подгруппы:

1) Чисто металлические, изготовленные из тугоплавких металлов;

2) Пленочные, у которых на поверхность основного металла (керна) нанесен моноатомный слой электроположительного вещества.

К данной подгруппе относятся оксидные (полупроводниковые) катоды. Но у таких катодов (в отличие от пленочных) на поверхность металла наносят не моноатомную пленку, а толстый слой полупроводникого эмиссионно-активного вещества.

Под электронной лампой понимается устройство с анодом и катодом. Анод – коллектор, катод – эмиттер. П/п катоды работают на явлении внешнего фотоэффекта

Термокатод - катод электровакуумных и газоразрядных приборов, эмитирующий электроны при нагревании.

Это устройства, с помощью которых можно преобразовывать энергию электрического поля в тепловую энергию, и наоборот – тепловую в электрическую. Эти преобразования основаны на эффектах Зеебека и Пельтье.

Металлические катоды

Наиболее распространенные среди металлических катодов – катоды из вольфрама. Является технологичным материалом, поддается обработке давлением, волочению и ковке. Из него можно изготавливать проволоки с диаметром от сотых долей мм до 3 мм. Рабочая температура – 2400-2700^оК, температура плавления вольфрама – 3600^оК. Работать выше 2700^оК нецелесообразно, потому что срок службы катода сокращается, и это приводит к интенсивному испарение вольфрама.

Достоинства: при его рабочей температуре ни одна пакость на нем не садится (не адсорбируется). Поэтому, вольфрамовый катод известен как наименее чувствительный к условиям эксплуатации.

Основной недостаток – низкая технологичность, трудно обрабатывать резанием. Очень хрупок после нагрева. Вольфрамовая проволока поликристалична, а это приводит к неравномерности эмиссии с поверхности катода. Эмиссионный пучок электронов с поликристаллической проволоки трудно сфокусировать. Попытки получения монокристаллической проволоки – не привели к положительным результатам.

Поэтому, в настоящее время вольфрамовые катоды (чистый вольфрам) применяются только в мощных генераторных лампах, работающих при высоких напряжениях на аноде (≥5 кВ); рентгеновских трубках, электронных микроскопах и ЭЛ технологических установках (электронная сварка, резка и т.д.).

В перспективе – повышение технологических свойств вольфрама возможно за счет увеличения степени его чистоты и дополнительного введения легирующих примесей, например, от 5 до 20% рения(сплавы ВР5 и ВР20). По эмиссионным свойствам эти сплавы не уступают вольфраму, но значительно легче с ними работать и имеют более высокое электрическое сопротивление.

Из других чистых тугоплавких металлов и сплавов на их основе применяют только тантал и рений. Технология обработки рения так же низка, как и вольфрама. Но рений легче поддается точечной сварке. Применение тантала, в основном, связано с тем, что при приготовлении из него плоских катодов и тонких пластин меньше технологических проблем, чем с вольфрамом. Форма катода от простой "W" до различных спиралей и т.д.

Пленочные катоды

Пленочные катоды - катоды из тугоплавких металлов, поверхность которых покрыта мономолекулярным слоем электроположительного вещества для снижения работы выхода. Физ-хим причиной снижения А_вых является образование на рабочей поверхности катода двойного электрического слоя, внешняя сторона которого заряжена положительно. Ионы цезия удерживаются на поверхности за счет сил зеркального отображения. Электроположительными ионами являются цезий, барий, торий и т.д.

Если работа выхода электрона из металла больше, чем потенциал ионизации адсорбированных атомов; например, атомы цезия на пов-ти вольфрама – вольфрамо-цезиовый катод – то они отдают свои валентные электроны вольфраму и превращаются в положительно заряженные ионы (рис.2.2а).Между этими ионами и их электрическим изображением в вольфраме возникает сила притяжения, удерживающая моноатомную пленку на пов-ти, и образуется двойной электрический слой, внешняя сторона которого заряжена положительно.

А если потенциал ионизации адсорбированных атомов больше А_вых электрона из металла (случай для атомов бария и технеция на поверхности вольфрама) – вольфрамовые торированные, вольфрамо-бариевые катоды). В этом случае адсорбированные атомы на пов-ти находятся в виде диполей, также образующих двойной электрический слой, внешняя сторона которого заряжена положительно.(рис.2.2а)

В поле двойного электрического слоя, эмитированные из металла электрона приобретают дополнительную энергию. В результате этого работа выхода электрона существенно снижается.

Иллюстрация – рис. 2.3б, кривая 1. Показан профиль потенциального барьера чистого металла с работой выхода А (кривая 1) и распределение потенциала, созданного электрическим полем двойного заряженного слоя (кривая 3). Профиль потенциального барьера для пленочного катода с двойным заряженным слоем, снижающим работу выхода электрона до величины А_ПК (кривая 2).

При наличии цезия на пов-ти работа выхода электрона из вольфрама снижается с 4,5 эВ до 1,36. А в присутствии моноатомной пленки тория – до 2,63 эВ.

В теории, изменение работы выхода

, (1)

n – число электронов на единице рабочей поверхности катода, e – заряд электрона, p=ed – электрический дипольный момент адсорбированного атома.

Согласно равенству (1), снижение работы будет тем больше, чем больше поверхностная плотность диполей. Этот факт не подтверждается экспериментально. Большая величина ∆ A достигается не при сплошной моноатомной пленке степень перекрытия μ= 1, максимум достигается при степени перекрытия = 0,7. Объяснение этого факта связано с тем, что взаимные электрических полей от соседних диполей, и поэтому приводящего к уменьшению их электрических моментов.

Недостатки:

Основной недостаток – малая долговечность ввиду плохого сцепления диполей (или ионизированных атомов) с поверхностью металла. В результате экспериментов по устранению недостатка пленочные катоды вытесняются ториованно-карбидированными катодами на основе вольфрама.

Технология состоит в следующем – исходным материалом является вольфрам с примесью диоксида тория. Из проволоки либо ленты изготавливают катод необходимой формы и монтируют на рабочем месте в электровакуумном приборе. После достижения вакуума объем заполняется парами углеводородов, например, бензолом. Включают нагрев катода, нагревая до температуры порядка 1600^оК. Углерод, осаждаясь на пов-ти катода, взаимодействует с вольфрамом и образует карбид – W₂C, толщина пленки на пов-ти зависит от времени выдержки и давления паров углеводорода. При оптимальной толщине доля карбида вольфрама составляет порядка 30%. После этого откачивают до рабочего вакуума и проводят активацию, которая заключается в следующем – нагревают до температуры 2800^оК, выдерживают 1-2 минуты, снижают температуру до 2000-2300^оК и выдерживают 15-20 минут. В данном варианте термической обработки происходит восстановление оксида тория (ThO₂) до металлического тория, и происходит установление термодинамического равновесия между поступлением атомов тория на поверхность катода и их испарения в вакуум. В итоге, на пов-ти карбида вольфрама образуется моноатомная пленка ионизированных атомов тория, что изображено на рис.3.

Прочность сцепления карбидной пленки и данной поверхностной пленки с карбидом во много раз больше таковой с чистым вольфрамом. Благодаря этому повышается долговечность и стабильность катода.