Полупроводниковые и металлополупроводниковые термокатоды

Оксидный катод, относящийся к этой группе катодов, наиболее широко применяется в самых различных электронных и ионных приборах. Оксидный катод представляет собой никелевый или вольфрамовый керн с нанесенным слоем окислов бария, стронция и кальция. Наилучшими эмиссионными качествами обладают оксидные катоды, использующие никелевый керн с 4%, присадкой вольфрама.

Строение оксидного катода схематически показано на рис. 4.

Рис. 4. Строение оксидного катода: 1 — металл; 2 — приконтактный слой; 3 — полупроводниковое покрытие; 4 — атомы чистого бария.

Поверхность металлического керна покрыта тонким приконтактным слоем. В случае никелевого керна с присадкой кремния приконтактный слой состоит из Ba₂Si0₄. Далее следует оксидный слой, содержащий окислы Ва, Sr и Са. В результате восстановления окиси бария в узлах кристаллической решетки оксида образуются атомы свободного бария. Барий в этом случае представляет собой донаторную примесь, и оксидный слой превращается в полупроводник с электронной проводимостью. Часть атомов свободного бария диффундирует и на поверхности получается одноатомный слой, который при испарении пополняется за счет диффузии бария из глубины оксидного слоя. Поверхность оксидного катода обычно пористая, и плотность его зависит от способа нанесения оксида.

Работа выхода оксидного катода W₀ = 1,1—1,3 эв, рабочая температура 950—1100° К, эффективность в непрерывном режиме 60—100 ма/вт.

Весьма ценным свойством оксидного катода является его способность к повышенной эмиссии в импульсном режиме. Если катод разогрет до рабочей температуры и имеется внешнее положительное электрическое поле, то в начальный момент времени наблюдается довольно большой ток эмиссии, величина которого в течение последующих 100—300 мксек уменьшается по экспоненциальному закону до номинального значения. Это явление можно объяснить следующим образом. В отсутствие атомов бария на поверхности катода в результате их непрерывной диффузии увеличивается, что и обусловливает значительный ток эмиссии в первый момент. В дальнейшем атомы бария, лишившиеся электронов и превратившиеся в положительные ионы, диффундируют из оксидного слоя к керну. B обратном направлении происходит диффузия атомов бария к поверхности. В установившемся режиме плотности потоков равны и ток эмиссии принимает номинальное значение. Эта способность оксидного катода широко используется для получения повышенных плотностей тока в импульсном режиме работы ламп, когда ток необходим лишь в течение небольшого времени, порядка нескольких микросекунд, а время между двумя импульсами тока составляет миллисекунды. В интервале между импульсами тока концентрация бария на поверхности увеличивается, и во время импульса плотность тока эмиссии достигает больших величин. Так, например, среднее значение плотности тока для оксидного катода составляет примерно 0,3 а/см²; в импульсном режиме средняя плотность тока 50 а/см² и более.

Наряду с достоинствами — высокая экономичность и большая плотность тока, особенно в импульсном режиме, — оксидному катоду свойственны недостатки. Испарение бария с поверхности катода приводит к загрязнению барием других электродов прибора, что увеличивает коэффициент вторичной эмиссии с их поверхности и может привести к нарушению работы прибора. Кроме того, оксидный катод весьма чувствителен к бомбардировке его ионами и поэтому не применяется в приборах с высокими напряжениями, где скорость бомбардирующих ионов велика. Поверхность оксидного слоя достаточно пористая, и концентрация атомов бария на поверхности различна. Вследствие этого на катоде образуются островки наиболее интенсивной эмиссии. Эти островки при протекании значительных токов сильно разогреваются, и в этих местах происходит наиболее интенсивное испарение бария, приводящее к разрушению оксидного слоя. Из-за неоднородности структуры оксидного слоя возможно также образование участков повышенного сопротивления. Падение напряжения на таких участках может оказаться достаточным для создания электрического поля, вызывающего пробой запорного слоя (искрение оксидного катода).

С целью устранения перечисленных недостатков разработан ряд модификаций оксидного катода. В оксидно-сетчатом катоде на поверхности керна укрепляется металлическая сетка, ячейки которой заполняются оксидом. Это позволяет несколько улучшить проводимость катода и, следовательно, уменьшить его искрение.

Рис. 5. Устройство трубчатого (а) и пластинчатого (б) катодов.

Другой модификацией являются трубчатые катоды, в которых оксидом заполняются никелевые трубочки диаметром 0,2¸0,4мм, плотно спрессованные и вмонтированные в молибденовую оправку (рис. 5,а). Эмитирующей поверхностью здесь служат открытые торцы трубок. В таком катоде имеется большой запас активного вещества и, кроме того, его проводимость больше.

Для повышения, стойкости оксидного катода против ионной бомбардировки применяются ламельные, или пластинчатые, катоды, устройство которых показано на рис. 5,б. Оксидным слоем покрываются только боковые стенки ламелей, на которые предварительно укрепляется никелевая сетка. Внешнее поле, проникая между ламелями, способствует движению эмитированных электронов от катода. Ионы, попадая в пространство между ламелями, не оказывают влияния на оксидное покрытие, так как градиент поля в направлении боковых поверхностей невелик.

Хорошими эмиссионными качествами обладают оксидно-бариевые и окси дно-тор левые катоды на спеченном сердечнике. Такие катоды отличаются высокой стойкостью против ионной бомбардировки и отравления газами, хорошо восстанавливают эмиссию после отравления и допускают плотности тока в непрерывном режиме до 2 а/см².