Оксидні катоди

Найпоширенішим типом катода в електровакуумних приладах є напівпровідниковий оксидний катод, винайдений ще у 1904р. Схема пристрою оксидного катода показана на рис.1.11.

Рисунок 1.11 - Будова оксидного катода.

Основою катода є металевий керн, виготовлений зі спеціальних сплавів нікелю або з вольфраму. На керн наноситься оксидне покриття, що складається із суміші окислів барію і стронцію (іноді кальцію). Ці окисли нестійкі до впливу парів води та вуглекислого газу тому спочатку на керн наносять обприскуванням або електролітичним осадженням суміш вуглекислих солей барію і стронцію (кальцію). Після відкачки з лампи повітря, катод нагрівається до температури 1600 К. Вуглекислі солі барію і стронцію розкладаються на окисли металів і вуглекислий газ. Окисли металів залишаються на поверхні катода у вигляді білої плівки товщиною від 20 до 100мкм. Вона має шорсткувату поверхню у вигляді нагромаджених один на однин кристалів ВаО і SrО розмірами від 1 мкм до 5 мкм. Окисли лужноземельних металів мають іонну кристалічну решітку, у вузлах якої перебувають двовалентні іони металу (Ме⁺⁺) і кисню. Ширина “забороненої” смуги енергій для ВаО і SrО порядку декількох електрон-вольт, тому оксидне покриття у звичайному (неактивованому) стані є діелектриком.

Надлишкові атоми барію, що показані кружками на рис. 1.11, розподіляються по товщі покриття. Вони відіграють роль металевої домішки до оксидного шару, тобто є донорами. Тому при активуванні катода оксидний шар із діелектрика перетворюється в напівпровідник з електронною провідністю. Повна робота виходу оксидних катодів при термоелектронній емісії становить від 1 до 1,1 еВ; при цьому внутрішня робота виходу 0,7 – 0,8 еВ, а зовнішня робота виходу порядку 0,3 еВ.

Завдяки малій величині роботи виходу значна термоелектронна емісія оксидного катода досягається вже при температурах 1000° К – 1120° К (розжарення темно-червоного кольору), ефективність катода при цих температурах від 60 до 100м/Bт.

Високі емісійні властивості оксидного катода обумовлюють шорсткістю його поверхні і наявність пор в оксидному покритті. Завдяки цьому збільшується діюча емісійна поверхня катода і додається емісія електронів через пори в оксидному шарі.

Оксидні катоди з відносно гладким покриттям (наприклад, одержані електролітичним осадженням вуглекислих солей барію і стронцію із суспензії) застосовуються в лампах із гранично малими міжелектродним відстанями і у тих електровакуумних приладах в яких є висока імовірність пробою.

З причини надлишкової хімічної активності атомів барію присутність малої кількості повітря, залишкових газів або парів води всередині лампи помітно погіршують емісійні властивості оксидного катода, скорочують строк його служби. Тому необхідно підтримувати тиск залишкових газів у межах 10 ^{– 7} мм рт.ст. Термін служби оксидного катода в різних типах електровакуумних приладів неоднаковий; сильно розрізняється довговічність катода становить 500-100000 годин.

Експериментально були виявлені винятково високі емісійні властивості оксидного катода в імпульсному режимі (при тривалості імпульсів порядку 1–10 мкс і тривалості пауз порядку мілісекунд). У цьому режимі зі звичайних оксидних катодів при досить високих анодних напругах вдалося знімати емісійні струми в кілька десятків амперів на квадратний сантиметр, а з удосконалених — навіть більше 100 A/см². В той же час у безперервному режимі найбільша щільність катодного струму оксидних катодів не перевищує 0,5 A/см².

Одержанню з оксидного катода більших емісійних струмів, близьких до його повної термоелектронної здатності, перешкоджають в основному дві обставини:

1. Перегрів катода через “наскрізний” струм з причини порівняно великого опору напівпровідникового покриття і запірного шару. Тому безумовні переваги має імпульсний режим, бо через наявність пауз середня кількість тепла за одиницю часу при проходженні струму , в імпульсному режимі набагато менше, ніж у безперервному.

2. Іскріння катода при подачі на анод лампи високих напруг і знятті з катода великого значення щільності струму в імпульсному режимі. При цьому спостерігаються електричні розряди в лампі із відокремленням від катода розпечених часток оксиду. Це явище обмежує величину припустимого катодного струму і анодної напруги . Іскрінню сприяють: шорсткість поверхні оксидного катода, наявність запірного шару, підвищений опір напівпровідникового, недостатньо міцне зчеплення оксидного покриття з керном; бомбардування катода іонами. Схильність до іскріння і недостатньо високий термін служби в імпульсному режимі роботи є головними недоліками оксидного катода, що обмежують його застосування в сучасних імпульсних електровакуумних приладах.

З метою боротьби з іскрінням і збільшення терміну служби розроблені різновиди оксидного катода, що є по суті не напівпровідниковими, а складними катодами. Прикладом таких катодів служить так званий губчатий, або сітчастий катод (рис. 1.12а). Поверхнею емісії в ньому служать відкриті торці трубок. У такому катоді є великий запас активної речовини й, крім того, його провідність більше.

На нікелевий керн наноситься металева сітка або губка, отримана спіканням дрібнозернистого нікелевого порошку. В отвори губки вводиться (утирається) оксидне покриття. Поверхня катода стає більше гладкою, частки оксиду міцніше зчіплюються з губкою, теплопровідність і електропровідність покриття (метал + напівпровідник) набагато більше, ніж в оксидного катода. Застосування найчистішого нікелю як матеріал для керна і губки перешкоджає утворенню запірного шару. На зовнішній поверхні складного катода перемежовуються ділянки зі структурою, аналогічній структурі плівкових (виступи металевої сітки) і товстошарових напівпровідникових катодів (зерна оксиду). Емісійна здатність губчатих і інших складних катодів трохи нижче, ніж в оксидних.

Рисунок 1.12 - Пристрій трубчастого (а) і пластинчастого (б) катодів

Для підвищення стійкості оксидного катода проти іонного бомбардування застосовуються ламельні, або пластинчасті, катоди, пристрій яких показано на рис. 1.12 б. Оксидним шаром покриваються тільки бічні стінки ламелей, на які попередньо зміцнює нікелева сітка. Зовнішнє поле, проникаючи між ламелями, сприяє руху електронів, що виходять з катода. Іони, потрапляючи в простір між ламелями, не руйнують оксидне покриття, тому що градієнт поля в напрямку бічних поверхонь невеликий.