2.1.3. Пленочные катоды

Пленочные катоды, это катоды из тугоплавких металлов, поверхность которых покрыта мономолекулярным слоем электроположительного вещества для снижения работы выхода. Физико-химической причиной приводящей к снижению работы выхода является образование на рабочей поверхности катода двойного электрического слоя, внешняя сторона которого заряжена положительно. На (рис. 2.2) условно показано формирование двойного электрического слоя при адсорбции на поверхности металла (а) моноатомной пленки из электроположительных металлов (цезия, бария, церия, тория и т. д). Если работа выхода электрона из металла больше потенциала ионизации адсорбированных атомов (например, атомы цезия на поверхности вольфрама – W-Cs катод), то они отдают свои валентные электроны вольфраму и превращаются в положительно заряженные ионы (рис.2.2,а). Между этими ионами и их электрическим изображением в вольфраме возникает сила притяжения, удерживающая моноатомную пленку на поверхности, и образуется двойной электрический слой, внешняя сторона которого заряжена положительно.

Если потенциал ионизации адсорбированных атомов больше работы выхода электрона из металла (случай для атомов Ва, Th на поверхности вольфрама – W-Th, W-Ba катоды), то они находятся в состоянии диполей, также образующих двойной электрический слой, внешняя сторона которого заряжена положительно (рис.3.2,а).

Рис. 2.2. Образование двойного электрического слоя при нанесении пленки цезия на поверхность кристалла (а) и при адсорбции кислорода (б).

В поле двойного электрического слоя эмитирующие электроны из металла приобретают дополнительную энергию, в результате этого работа выхода электрона существенно снижается. Иллюстрацией к этому является (рис. 3.2,б) где показан профиль потенциального барьера чистого металла с работой выхода А (кривая 1), распределение потенциала, созданного электрическим полем двойного заряженного слоя (кривая 3), и профиль потенциального барьера для пленочного катода с двойным заряженным слоем, снижающим работу выхода электрона до величины А_пк (кривая 2).

Например, при наличии слоя цезия на поверхности, работа выхода электрона из вольфрама уменьшается с 4,52 эВ до 1,36 эВ, а в присутствии моноатомный пленки тория до 2.63 эВ. Согласно теоретическим оценкам, работа выхода электрона, в этом случае уменьшается на величину:

, (25.2)

где n-число диполей (или ионизированных атомов) на единице рабочей поверхности катода, е-заряд электрона, р_э=е×d-электрический дипольный момент адсорбированного атома.

Рис. 3.2. Диполи атомов электроположительного вещества на поверхности металла и их влияние на потенциальный барьер.

Согласно равенству (25.2) снижение величины работы выхода должно быть тем больше чем больше поверхностная плотность диполей. Однако это не подтверждается экспериментально. Наибольшая величина. ΔА достигается не при сплошной моноатомный пленке поляризованных атомов (степень перекрытия μ=1, а при величине μ=0,7). Это связано с эффектом взаимного влияния электрических полей от соседних диполей, приводящему к уменьшению их электрических моментов.

Основным недостатком пленочных катодов является их малая долговечность ввиду плохого сцепления диполей (или ионизированных атомов) с поверхностью металла только за счет сил зеркального изображения. В результате экспериментальных работ по устранению данного недостатка пленочные катоды были вытеснены более совершенными торированными карбидированными катодами на основе вольфрама, технология изготовления которых 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 откачки баллона он заполняется парами углеводорода (например, бензола) и катод нагревают до температуры ≤ 1600 К. Углерод, осаждаясь на поверхности катода, взаимодействует с вольфрамом, образуя карбид W₂C, толщина пленки которого зависит от времени выдержки и давления паров углеводорода. При оптимальной толщине, когда доля карбида вольфрама в поперечном сечении катода составляет ≈ 30%,

Рис 4.2. Схема структуры торированного карбидированного вольфрамового катода.

пары углеводорода откачивают до рабочего вакуума и проводят активацию, которая заключается в следующем. Катод нагревают до температуры 2800К, выдерживают 1-2 минуты, снижают температуру до (2000-2300)К и выдерживают 15-20 минут. В данном варианте термической обработки происходит восстановление оксида ThO₂ до металлического тория и установление термодинамического равновесия между процессами поступления атомов тория на поверхность катода и их испарения в вакуум. В результате на поверхности карбида (рис 4.2) вольфрама образуется моноатомная пленка ионизированных атомов тория, а вместе с ней и двойной электрический слой снижающий работу выхода электронов. Прочность сцепления данной пленки с карбидом во много раз больше чем таковая с чистым вольфрамом, благодаря чему повышается долговечность и стойкость карбидированного катода к ионной бомбардировке.