Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЙ КАТОД

ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЙ КАТОД

ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫЙ КАТОД (теpмокатод) - катод электровакуумных и газоразрядных приборов, эмитирующий электроны при нагревании (см. Термоэлектронная эмиссия). Осн. характеристики Т. <к.: плотность эмиссионного тока насыщения j _э. и её зависимость от темп-ры; рабочая темп-pa Т _раб, обычно рекомендуемая для Т. <к. данного типа; работа выхода Ф; эффективность Т. <к. h, равная отношению тока эмиссии к мощности, затрачиваемой на нагревание катода; срок службы. Чем меньше Ф, тем ниже T _раб, при к-рой достигается j _э, меньше скорость испарения активного вещества катода и, следовательно, больше его срок службы. Осн. типы Т. <к.: металлические, полупроводниковые, металлопористые и боридные.

Металлические Т. <к. изготовляются из чистого металла или сплавов металлов. Это прямонакальные T. к., нагревающий их ток пропускается непосредственно через проволоку (спираль, ленту), эмитирующую электроны. Такие T. к. находят ограниченное применение.

Полупроводниковые T.к. К этому классу T.к. относятся в осн. оксидные. Это эффективные T. к. косвенного накала. Активным веществом в них являются оксиды металлов; в результате их прогревания (активирования), проводимого с целью повышения j _э, в объёме и на поверхности катода образуется избыток металла, обеспечивающий необходимую электропроводность T. к. и снижение Ф. Существуют два типа оксидных катодов - низко- и высокотемпературные. В н и з к о т е м п е р а т у р н ы х о к с и дн ы х Т. <к., работающих при T _раб900-1300 К, используются смеси оксидов щёлочно-земельных металлов Ba, Sr и Ca. Из-за неустойчивости этих оксидов на воздухе их получают из исходных веществ-двойных или тройных карбонатов (BaSr)CO₃, (BaSrCa)CO₃. Последние наносятся на металлический керн, смонтированный вместе с подогревателем, и активируются прогреванием непосредственно в изготовляемом приборе при его откачке. При этом образуются оксиды металлов и одновременно нек-рое количество свободных атомов металлов. В в ы с о к о т е мп е р а т у р н ы х о к с и д н ы х к а т о д а х активным веществом служат оксиды Y, Th и др. Рабочие темп-ры таких Т. <к. в зависимости от материала подложки (Та, W, Re) лежат в диапазоне T _раб1400-2000 К. Долговечность оксидных T. к. ограничивается постоянным испарением ок-сидного покрытия, а также образованием промежуточного слоя между металлической подложкой, на к-рую наносится активный слой, и покрытием.

Металлопористые Т. <к. Недостатки оксидных катодов были устранены благодаря созданию T. к. с запасом активного эмиссионного вещества, названных металлопо-ристыми (р а с п р е д е л и т е л ь н ы м и, или д и с п е н с е р-н ы м и) катодами. Они представляют собой металлическую губку из тугоплавкого металла (W, Re, Mo), содержащую соединения активных материалов, преимущественно Ba. При нагревании выделяющийся из соединений Ba диффундирует к поверхности, покрывая её тонкой плёнкой металла, снижающей Ф. В процессе работы T. к. разрушающаяся вследствие испарения и воздействия остаточных газов плёнка возобновляется поступающим из пор Ba. Существует неск. типов металлопористых T. к. К а м е рн ы й или L -к а т о д представляет собой камеру, заполненную карбонатом Ba - Sr и закрытую вольфрамовой стенкой-губкой. При нагревании карбонат разлагается, выделяя Ba, к-рый пополняет его запас в губке и на её наружной поверхности, эмитирующей электроны. Осн. недостатком этой модификации катодов является длительное время обезгаживания и разложения карбонатов. Этот недостаток был устранён благодаря использованию др. эмиссионно-активных материалов-алюминатов и вольфраматов Ba, а также созданию др. модификаций металлопористых Т. <к. - прессованных и пропитанных (импрегнированных). П р е с с о в а н н ы е м е т а л л о п о р и с т ы е Т. <к. изготавливаются в виде таблеток или керамических трубок путём прессования смеси из порошков активных веществ (оксидов, алюминатов, вольфраматов Ba) и порошков тугоплавких металлов (W) или сплавов W с др. металлами, напр. с Re. П р о п и т а н н ы е T.к. получают пропитыванием вольфрамовой губки путём погружения её в расплав активного эмиссионного материала. Варьировались составы активных эмиссионных материалов (вольфраматы Ba и Ba - Ca, скандаты) и материалы губки (W, Ni, смеси W с Ir, Os). Лучшими модификациями металлопористых T. к., широко применяемыми на практике, являются катоды с алюминатом Ba - Ca: j _э4-10 А/см ² при T _раб 1370 К, срок службы-десятки тыс. часов. Металлопористые T. к. используются в электронно-лучевых трубках, приборах СВЧ-диапазона. Изучаются металлопористые T. к. с тонкими плёнками тугоплавких металлов на поверхности (Os, Ir, Ru, Pt). Лучшими свойствами обладают катоды с плёнкой Os.

Боридные Т. <к. изготовляются из металлоподобных соединений типа MB_n (M - металл); наиб. распространение получили T. к. из гексаборида лантана (LaB₆). Высокая механическая прочность и устойчивость к электронной и ионной бомбардировкам позволяют использовать такие T. к. в режиме термополевой эмиссии при высокой напряжённости электрического поля (~10 ^б В/см), когда значительная часть эмиссионного тока обусловлена автоэлектронной эмиссией. Такие Т. <к. применяются в ускорителях, а также в вакуумных устройствах, в к-рых Т. <к. должны работать в условиях "плохого" вакуума, не отравляясь и обеспечивая электронные токи большой плотности. Перспективным направлением в улучшении свойств T. к. из LaB₆ является использование монокристаллов LaB₆; так, с граней (100), (210) монокристалла снимаются большие токи, чем с поликристаллического LaB₆.

Новым направлением в катодной электронике является разработка металлосплавных Т. <к. Перспективными материалами для катодов этой серии являются сплавы благородных металлов (Pd, Pt, Ir) с редкоземельными (Ir с Ce и La).

В табл. приведены осн. параметры применяемых на практике T. к. (по данным разных авторов).

Лит.: Кудинцева Г. А. и др., Термоэлектронные катоды, M.- Л., 1966; Никонов Б. П., Оксидный катод, M., 1979; Cronin J. L., Modern dispenser cathodes, "Proc. IEE - I", 1981, v. 128, pt 1, № 1, p. 19. Б. С. Кульварская.