3.1.3. Оксидные катоды.

Конструктивно представляют собой металлический керн, на поверхность которого нанесен слой оксида толщиной (20-100) мкм с распределенными по всему слою атомами чистого металла - донора, придающего оксидному слою свойства примесного полупроводника (рис.5.2,а). В зависимости от материала керна и химического состава оксидного слоя катоды разделяют на две группы: низкотемпературные и высокотемпературные.

В низкотемпературных катодах эмиссионно-активный слой состоит из щелочноземельных оксидов ВаО и SrO иногда с добавкой СаО, синтезируемых в процессе вакуумного термолиза карбонатов (ВаSr)CО₃ либо (ВаSrСа)СО₃ нанесенных на никелевый керн. Основную функцию выполняет оксид бария, который при активировании катода (нагрев до температуры 1250-1300К с выдержкой несколько минут) восстанавливается до металлического бария, атомы которого, распределяясь внутри оксидного слоя, выступают в роли доноров и превращают его в примесной полупроводник с электронной проводимостью. Активированный оксидный слой обычно имеет пористую шероховатую внешнюю (эмиссионную) поверхность, а на границе оксидный слой-керн образуется тонкая полупроводниковая пленка, (запорный слой ≤0,1мкм). Присутствие пленки, ввиду ее высокого электрического сопротивления, негативно сказывается на свойствах оксидных катодов. Например, при недокале катода, когда сопротивление пленки велико, эмиссия происходит не со всей площади, а на малом участке (а), который прогревается непосредственно током эмиссии (рис. 5.2,а). Это может привести к перегреву и разрушению оксидного покрытия на данном участке.

Рис. 5.2. а). Схема строения поверхностного слоя оксидного катода. б). Зависимость эмиссионного тока оксидного катода в непрерывном и импульсном режимах.

Работа выхода электронов из оксидных катодов составляет 1,1-1.4 эВ, что позволяет получать большие эмиссионные токи, в рабочем диапазоне температур (950-1150) К. При этом у данных катодов наблюдается (рис. 5.2,б) резкое снижение (по времени) эмиссионного тока при импульсном напряжении на электродах. В начальный момент оксидный катод обеспечивает большой ток, который быстро убывает по экспоненциальному закону и достигает значения I_непр. Если на время выключить, то после непродолжительной паузы (несколько десятков микросекунд) эмиссионные свойства восстановятся. Поэтому ток эмиссии оксидного катода в непрерывном режиме оказывается всегда меньше возможного импульсного тока (I_им.) и даже меньше его среднего значения (I_cр.) (рис. 5.2,б). Это явление связано: с наличием высокоомной пленки; отравлением (окислением) эмиссионного слоя газами; электролитическим отводом ионов бария от поверхности к керну и рядом других сложных физико-химических процессов непрерывно протекающих при работе катода.

В настоящее время широкое распространение получили катоды со сложной по микроструктуре (губчатой) эмиссионной поверхностью: прессованные и импрегнированные, у которых эмиссионно-активное вещество содержится в порах никелевой либо вольфрамовой губки. В качестве эмиссионно-активного вещества используются алюминаты бария и кальция (mBaO nCaO iAl₂O₃), скандаты бария (mBaO iSc₂O₃), вольфраматы бария и кальция (mBaO nCaO iWO₃), где m=2,5; 3; 5; n=0; 5; 3; i=1; 2. При изготовлении прессованного катода смесь порошков материала губки и эмиссионно-активного вещества запрессовывается в керн, а затем спекается при высокой температуре в вакууме или атмосфере водорода. Катод получается прочным и поддается механической обработке. Наиболее распространены из данного типа катодов – оксидно-никелевые, работающие при температуре Т=(1100-1170) К обеспечивающие плотность катодного тока J_к≈1 А/см² в непрерывном режиме и до 20 А/см² в импульсном. Технология изготовления импрегнированных (пропитанных) катодов несколько сложнее. Первоначально из вольфрамового порошка в процессе спекания получают губку и пропитывают её медью для улучшения механической обработке. После придания губке необходимой, для катода, формы, медь выпаривают прогревом в вакууме. Пропитку губки эмиссионно-активным веществом проводят в среде водорода при температуре 2000-2100 К. По завершению этой операции, очищенную от излишков эмиссионно-активного вещества губку закрепляют пайкой либо сваркой в корпусе (керне) катода. Рабочая температура катодов, (пропитанных алюминатами), составляет Т=(1320-1470) К, работа выхода электронов (2,07-2,12) эВ, плотность эмиссионного тока до 6А/см², долговечность – несколько тысяч часов.

Прессованные и импрегнированные катоды применяются в СВЧ - приборах, газовых лазерах, электроннолучевых трубках. Эмиссионные свойства таких катодов существенно возрастают после их напыления металлами платиновой группы. Например, при покрытии пленкой осмия работа выхода электронов уменьшается приблизительно на 0,1эВ и, соответственно, увеличивается плотность тока эмиссии при той же температуре более чем в три раза.

Высокотемпературные оксидные катоды – изготавливают на кернах из тугоплавких металлов (W, Та, Мо) покрывая их слоем порошка обычно из того же материала, что и керн. После операции спекания, поверхностный слой имеет структуру губки в которую, методом электрофореза или втиранием, внедряют эмиссионно-активный материал на основе оксидов: тория, иттрия и других редкоземельных материалов. При активировании катод нагревают выше рабочей температуры на (50-100^о) с отбором эмиссионного тока. После активации поверхностный слой представляет полупроводник с электронной проводимостью, донорные уровни, которого, обусловлены избытком атомов активных металлов: тория, иттрия или других редкоземельных материалов.

Наиболее распространенными высокотемпературными оксидными катодами являются оксидно-ториевые. У данных катодов отсутствует запорный слой, поэтому они могут эффективно работать как в импульсном, так и непрерывном режимах отбора эмиссионного тока. Работа выхода электронов из катодов данного типа составляет (2,5-2,7) эВ, а в интервале рабочих (1650-1900) К температур при давлении остаточных газов 10^-4-10^-5 Па, обеспечивается плотность катодного тока: в непрерывном режиме до ≤ 3 А/см²; а в импульсном до ≤ 20 А/см². Такие катоды применяют в приборах, где требуется высокая эмиссионная способность в сочетании с устойчивостью к окислению, электронно-ионной бомбардировке (приборы магнетронного типа и др.). Долговечность оксидно-ториевых катодов составляет несколько тысяч часов.

Особую группу прессованных и пропитанных катодов составляют высокотемпературные металлокерамические – керметкатоды. Их изготавливают из порошков вольфрама, оксидов тория, иттрия, и редкоземельных металлов путем прессования заготовок требуемых размеров и форм с последующим спеканием в атмосфере водорода при высокой температуре. Наибольшее распространение из этой группы поучили вольфрамо - ториевые керметкатоды. В зависимости от состава и технологии изготовления керметкатодов их рабочая температура лежит в пределах (1600-1900) К, плотность эмиссионного тока (0,5-3) А/см², а долговечность составляет несколько тысяч часов.