 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Термоэмиссионные катоды. Эффективные термокатоды
Имеется ряд устройств, в которых используются электронные пучки. Поэтому одной из важнейших задач является разработка источников электронов как специального, так и широкого применения. В связи с этим предпринимались и предпринимаются в настоящее время значительные усилия по созданию эффективных эмиттеров, имеющих по возможности простую конструкцию, экономичных и компактных.
Большое разнообразие условий работы предъявляет и разнообразные требования к эмиттерам. Термокатоды можно охарактеризовать рядом параметров. Наиболее важными являются следующие.
§ Плотность эмиссионного тока. От этой величины зависят минимально допустимые размеры катода, что, в свою очередь, определяет возможные размеры пучка электронов.
§ Потребляемая мощность. Энергия, расходуемая на нагревание катода, определяет экономичность прибора. Кроме того, при большой плотности эмиссионных приборов серьезной проблемой является их охлаждение, поскольку большая часть энергии расходуется на нагревание элементов.
§ Рабочая температура. Рабочей называют такую температуру, при которой с одной стороны может быть получена достаточная эмиссия электронов, а с другой стороны, которая обеспечивает длительный срок службы. Низкая температура является предпочтительной не только из соображений экономии энергии, но и поскольку температура определяет распределение электронов по энергиям.
§ Стабильность тока. Величина характеризует флуктуации термоэмиссионного тока, которые могут быть как кратковременными, так и представлять собой постепенное изменение эмиссионных свойств катода.
§ Время службы катода. Под этой величиной обычно понимают время, в течение которого эмиссионный ток уменьшается не более чем на некоторую заданную величину, определяемую в процентах (считается допустимым, например, 10%).
Эффективность катода можно охарактеризовать отношением величины эмиссионного тока к мощности, расходуемой на его нагревание. Эту величину измеряют в мкА/Вт. Под эффективными понимают катоды, обладающие невысокой рабочей температурой, способные эмитировать токи с высокой плотностью длительное время (десятки тысяч часов) без каких-либо изменений характеристик.
Термокатоды работают в достаточно жестких условиях. Это высокая температура, поступление на поверхность частиц из остаточных газов. Нагрев близкорасположенных конструкционных деталей вызывает дополнительное газоотделение, в результате чего повышается локальное давление. Кроме того, электроны при движении от катода к аноду в большинстве случаев обладают энергией, 
достаточной для ионизации молекул остаточного газа, что приводит к ионной бомбардировке эмиттеров. Все указанные факторы вызывают изменения в составе поверхностного слоя катода, сопровождающиеся изменением работы выхода, т.е. эмиссионной способности, появлением шумов вследствие адсорбции и перемещения атомов вдоль поверхности, образованием дефектов. На срок службы оказывают влияние устойчивость состава поверхностной области катода по отношению к воздействию высоких анодных напряжений и протекающего тока, по отношению к адсорбции остаточных газов. Кроме того, на эмиссионной способности сказывается поверхностный рельеф, пористость катодов. Важной характеристикой катодов является однородность распределения эмиссии вдоль поверхности. Термоэмиссионный ток подчиняется уравнению Ричардсона (2.4.10), из которого следует, что плотность тока определяется величиной работы выхода. Как видно из построенных на основе этого уравнения зависимостей плотности тока от температуры, приведенных на рис.2.10.2, для практических целей желательно использовать материалы с малой работой выхода. Среди чистых материалов наименьшей величиной j обладают щелочные и щелочноземельные металлы, особенно Cs (см. таблицу 2.14.1). Однако атомы этих металлов имеют малую энергию когезии и, следовательно, обладают высокой упругостью пара. В частности, упругость паров Cs составляет 10-3 тор уже при комнатной температуре. Кроме того, они обладают неудовлетворительными механическими свойствами и высокой реакционной способностью, стабильность их эмиссионных характеристик можно обеспечить только в сверхвысоком вакууме (р <10 -7 тор).
Большинство чистых материалов, обладающих достаточной химической стабильностью и удовлетворительными механическими свойствами, имеют большую (> 4 эВ) работу выхода. Это приводит к необходимости использовать высокие рабочие температуры, что не только снижает экономичность катодного узла, но и приводит к довольно широкому энергетическому распределению эмитируемых электронов. Как следует из (2.8.16) средняя энергия термоэлектронов составляет 2kT и в интервале Т=1500 ÷ 2000 К она равна 0,13 ÷ 0,17 эВ. Все это объясняет, почему катоды из чистых металлов не находят широкого применения в промышленности.
Привлекательными материалами являются гексабориды щелочноземельных и редкоземельных металлов, демонстрирующие хорошие эмиссионные свойства. Преимуществом этих катодов является низкая величина работы выхода. В зависимости от кристаллографической ориентации поверхности она составляет 2,6-3,3 эВ, что значительно ниже работы выхода чистых металлов. Но наиболее важным свойством этих материалов является возможность восстановления их эмиссионных характеристик после контакта с атмосферой простым прогревом. Они имеет низкую скорость испарения компонент. При рабочей температуре ~1700-18000C она составляет 10-9-10-11 г/см2/с. Существенным недостатком боридов являются их механические свойства. Они хрупки, невозможна сварка с металлами.Сложность изготовления из них катодов и трудности с монтажом катодных узлов серьезно ограничивают практическое применение этих соединений.
Отсутствие чистых материалов для катодов, пригодных для промышленного использования, побудило исследовать более сложные системы. Работы проводились по нескольким направлениям. Немаловажное место в этом отношении занимают работы по использованию в качестве эмиттеров пленочных систем.
Поиск по сайту: