Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Пленочный катод

Пленочные катоды являются активированными: на их поверхности имеется активный слой. Такие катоды обладают малой работой выхода. Например, катод из торированного вольфрама пмеет. Торированные катоды изготовляются из вольфрамовой проволоки, содержащей около 1 % окиси тория. При термообработке окись тория восстанавливается в металлический торий и на поверхности вольфрама образуется мономолекулярная пленка тория. Атомы тория частично отдают свои валентные электроны атомам вольфрама. На поверхности катода образуется двойной электрический слой, способствующий выходу электронов. [1]

Пленочные катоды имеют на поверхности тонкую пленку, уменьшающую работу выхода. К этой категории катодов относятся торированные, карбидированные и бариево-вольфрамовые катоды. [2]

Пленочными катодами называются такие катоды, поверхность которых покрыта моноатомным слоем вещества с малой работой выхода, в данном случае тория. [4]

Особенностью пленочных катодов является наличие на поверхности основного металла одноатомной пленки другого металла. [6]

К пленочным катодам относятся торированный и барированный вольфрам. В них работа выхода вольфрама снижается образованием поверхностной пленки атомов тория или бария на поверхности вольфрама. [7]

Процесс активирования вольфрамово-ториевого пленочного катода генераторных ламп состоит в том, что из присадки окиси тория ТЮ2 восстанавливается металлический торий, атомы которого диффундируют на поверхность вольфрама, образуя моноатомный слой, снижающий работу выхода катода. [10]

Наиболее широко применяемым на практике пленочным катодом является катод из торированного вольфрама. [13]

Источник

Типы катодов

Типы катодов (термоэлектронные), используемые в электровакуумных приборах, подразделяются на три группы:

Катоды из чистых металлов

Основным представителем этих катодов, как уже указывалось, является вольфрамовый катод, изготовляемый в виде проволок диаметром от десятков микрон до нескольких миллиметров. Вольфрам имеет высокую температуру плавления (свыше 3600° К). Рабочая температура вольфрамового катода лежит в пределах от 2400 до 2700° К, при этом катод может обеспечивать с каждого квадратного сантиметра ток эмиссии до 1,5 а. Эффективность катода зависит от рабочей температуры и изменяется в пределах 2—10 ма/вт.

Малая эффективность вольфрамовых катодов позволяет использовать их только в мощных лампах, в которых значительный расход мощности на накал не имеет существенного значения. Срок службы вольфрамовых катодов при нормальных рабочих температурах доходит до 2—3 тысяч часов.

Применение катодов из других металлов, например танталовых и молибденовых, ограничено, так как они становятся хрупкими при нагреве, а молибден, кроме того, уже при незначительных перегревах сильно распыляется.

Пленочные катоды

Эти катоды изготовляют тоже из вольфрамовой проволоки, на поверхности которой создается либо одноатомный слой тория, либо активная бариевая пленка.

Торированный катод работает при температурах от 1800 до 1900° К. Эффективность его составляет от 20 до 50 ма/вт. Срок службы торированного катода определяется не перегоранием вольфрама, а состоянием активного слоя на его поверхности: в процессе эксплуатации, особенно при перегревах, происходит испарение тория с поверхности вольфрама, что вызывает уменьшение эмиссии, а затем полную ее потерю.

Положительные ионы остаточного газа в лампе, нарушая целость активного слоя, также уменьшают срок службы катода. Торированные катоды поэтому применяются в маломощных лампах (при ограниченных анодных напряжениях), в которых электроды сильно не нагреваются во время работы. Если торированный катод прокалить в атмосфере углеводорода (в парах нафталина), то он становится более устойчивым. На поверхности такого катода образуется карбид вольфрама, отсюда и его название карбид крова н ный катод. Рабочая температура его не превышает 2000° К, а эффективность составляет 50—70 ма/вт.

Карбидированные катоды более устойчивы в работе, меньше разрушаются под действием ионной бомбардировки и поэтому их применяют в мощных усилительных и импульсных лампах с анодным напряжением до 6—8 кв и выше.

Бариево-вольфрамовые катоды работают при температурах от 1100 до 1500° К и имеют эффективность, доходящую до 1000 ма/вm. Этим катодам не опасна бомбардировка нонами остаточных газов. Поэтому они применяются в электровакуумных приборах с тяжелыми условиями работы, когда необходимо иметь большую удельную эмиссию катода (магнетроны, клистроны и др.).

Полупроводниковые катоды

К данному типу катодов относятся оксидные и бариевые катоды, у которых керн из чистого металла (вольфрама или никеля) покрыт окисями металлов бария, стронция и кальция. Атомы бария, содержащиеся внутри окисей металлов покрытия, играют при этом роль металлической примеси к оксидному слою, который вследствие этого приобретает электронную проводимость.

Благодаря малой работе выхода, сравнительно низким рабочим температурам (1000—1100° К) и одновременно циеокой эффективности (100—200 ма/вт), оксидные Катоды получили наибольшее распространение. Они Обладают исключительно высокими эмиссионными свойствами (особенно при работе электронного прибора в течение коротких промежутков времени — импульсов). При этом эмиссионный ток с квадратного сантиметра поверхности катода может доходить до нескольких десятков ампер. Вместе с тем, при непрерывном режиме работы плотность тока не превышает одного ампера.

Чрезмерная толщина, неоднородность оксидного слоя приводят к местным его перегревам накальным током, что еще больше увеличивает эмиссию с таких участков катода. Следствием этого является частичное или полное испарение оксидного слоя с керна или даже разрушение самого керна. Это явление особенно проявляется при недокале катода. При изготовлении оксидных катодов для ламп, работающих в импульсном режиме, применяют специальную технологию, которая обеспечивает постоянство эмиссии катода в этом режиме.

В последнее время в импульсных электровакуумных приборах находят применение ториево-оксидные и ряд других новых типов оксидных катодов. В ториево-оксидных катодах покрытия из окиси тория осуществляются на вольфрамовых или молибденовых кернах.

Наряду с перечисленными видами полупроводниковых катодов в лампах, рассчитанных на питание накала постоянным током, используют бариевые катоды. Бариевый катод представляет собой вольфрамовую нить, покрытую окисью меди, на поверхность которой нанесен барий. Бариевый катод работает при температурах до 1000° К; эффективность его находится в пределах от 70 до 150 ма/вт. В процессе изготовления таких катодов избыток бария осаждается на стенках баллона лампы, на ножках и слюдяных держателях. Это увеличивает токи утечки в электронной лампе, а также междуэлектродные емкости. Поэтому бариевые катоды применяются главным образом в маломощных лампах, работающих при низких анодных напряжениях.

Источник

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.

Источник

Катоды

Основные свойства катодов

Любой электровакуумный прибор имеет электрод, предназначенный для испускания (эмиссии) электронов. Этот электрод называется катодом. Электрод, предназначенный для приема эмиттированных катодом электронов, называется анодом.

На анод подают более высокий и положительный относительно катода потенциал.

Катод должен отдавать с единицы поверхности большой ток эмиссии при возможно низкой температуре нагрева и обладать большим сроком службы. Нагрев катода в электровакуумном приборе производится протекающим по нему током.

Такие термоэлектронные катоды разделяются на две основные группы:

Катоды прямого накала представляют собой металлическую нить, которая непосредственно разогревается током накала и служит для излучения электронов ( рис. 6, а ).

Для того чтобы нить накала оставалась при разогреве в натянутом состоянии, применяют либо пружинящие держатели катода, либо нить накала растягивают вольфрамовыми пружинами, укрепленными на изоляторах.

Рис. 6. Конструкции катодов: а — прямого накала; б — косвенного накала (подогревного): 1 — нить накала; 2 — держатели катода; 3 — гильза; 4 — активный слой.

Поверхность излучения катодов прямого накала невелика, поэтому от них нельзя получить большой ток эмиссии. Малая теплоемкость нити не позволяет использовать для нагрева переменный ток. Кроме того, при нагреве переменным током температура катода не постоянна во времени, а следовательно, меняется во времени и ток эмиссии.

Положительным свойством катода прямого накала является его экономичность, которая достигается благодаря малому количеству тепла, излучаемого в окружающую среду вследствие малой поверхности катода.

Катоды прямого накала изготовляются из вольфрамовой и никелевой проволоки. Однако большая работа выхода (W 0 = 4,2÷4,5 в) определяет высокую рабочую температуру катода, вследствие чего катод становится неэкономичным. Для повышения экономичности катода вольфрамовую или никелевую проволоку (керн) «активируют» — покрывают пленкой другого элемента. Такие катоды называются активированными.

Если на поверхность керна нанесена электроположительная пленка (пленка из цезия, тория или бария, имеющих меньшую работу выхода, чем материал керна), то происходит поляризация пленки: валентные электроны переходят в керн, и между положительно заряженной пленкой и керном возникает разность потенциалов, ускоряющая движение электрона при выходе его из керна. Работа выхода катода с такой мономолекулярной электроположительной пленкой оказывается меньше работы выхода электрона как из основного металла, так и из металла пленки. При покрытии керна электроотрицательной пленкой, например кислородом, работа выхода катода увеличивается.

Подогревные катоды выполняются в виде никелевых гильз, поверхность которых покрывается активным слоем металла, имеющим малую работу выхода ( рис. 6, б ). Внутри катода помещается подогреватель — вольфрамовая нить или спираль, подогрев которой может осуществляться как постоянным, так и переменным током.

Для изоляции подогревателя от гильзы внутренность последней покрывается алундом (Аl 2 O 3 ).

Подогревные катоды, благодаря их большой тепловой инерции, обычно питают переменным током, значительная поверхность гильзы обеспечивает большой эмиссионный ток. Подогревные катоды, однако, менее экономичны и разогреваются значительно дольше, чем катоды прямого накала.

Параметры и характеристики катодов

Катоды характеризуются следующими основными параметрами:

В электронных лампах с активированными катодами вместо удельной эмиссии часто пользуются параметром,называемым допустимой плотностью катодного тока. Этот параметр характеризуется током, который можно получить с одного квадратного сантиметра поверхности катода при нормальном (рабочем) напряжении накала. Работа при токах с катода, равных току эмиссии в этих лампах, приводит к разрушению поверхности слоя катода.

где I э — ток эмиссии катода, ма; P н — мощность, затраченная в цепи накала, вт.

3. Сроком службы катода, измеряемым в часах и характеризующим время, в течение которого катод сохраняет необходимые эксплуатационные свойства. Для простых катодов считается, что уменьшение диаметра катода на 10% приводит к его гибели. Соответственно оценивается и срок их службы.

Срок службы активированных катодов определяется уменьшением площади покрытия катода активной пленкой (а следовательно, ухудшением основных параметров лампы) на 20%.

Для выбора оптимального режима работы катода необходимо знать зависимость тока эмиссии катода от его температуры. Непосредственное измерение температуры накаленного катода затруднительно, поэтому пользуются так называемой накальной или эмиссионной характеристикой катода — графически выраженными зависимостями тока накала или тока эмиссии от напряжения или тока накала ( рис. 7, а ).

Рис. 7. Эмиссионная и накальная характеристики катода (а) и схема для их снятия (б).

В схеме имеются две цепи: анодная и накальная. Контроль за напряжением накала производится вольтметром V1, непосредственно подключенным в катодную цепь; если необходимо знать ток накала, то в нее включают амперметр. При этом амперметр следует подсоединять к тому зажиму катода, через который проходят накальный и анодный токи в одном направлении: данный конец нити накала нагревается сильнее и работает в наиболее тяжелых тепловых условиях.

Величина тока накала определяется разностью показания амперметра и показания миллиамперметра, но уменьшенного вдвое (так как по этой части цепи проходит примерно половина анодного тока).

Поддерживая постоянным напряжение на аноде, снимают зависимость тока эмиссии от напряжения (или тока) накала. Эмиссионный ток появляется начиная с напряжения на катоде 1—1,5 в и резко возрастает при напряжениях накала, близких к нормальным (рабочим) значениям.

Характеристику I н = ƒ(U н ) (см. рис. 7, а ) следует снимать при разомкнутой анодной цепи. Накальная характеристика нелинейна, так как с повышением температуры катода его сопротивление увеличивается. При этом ток накала возрастает меньше, чем увеличивается напряжение накала.

Источник

ПЛЕНОЧНЫЕ И ОКСИДНЫЕ КАТОДЫ

ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ КАТОДОВ.

Поверхности катодов обычно покрыты пленками оксидов, шлака и т.д., которые сильно влияют на работу выхода и плотность тока. Некоторые покрытия (La, Th) улучшают эмиссионные свойства катодов, другие, отсорбируясь на поверхности катода (О₂) резко снижают эмиссионные свойства.

Увеличение эмиссии объясняется созданием у поверхности эмитора дипольного слоя, обращенного положительными зарядами наружу из атомов, легко теряющими валентные электроны. Положительный дипольный слой создает дополнительное поле потенциального барьера, который понижает его на величину . При абсорбции атомов, имеющих большое сродство к электрону и (О₂) дипольный слой может быть обращен минусом наружу.

В катодных стержнях для аргонодуговой сварки применяют торированный или ланторированный вольфрам. При сварке примесные элементы La или Th диффундируют изнутри на поверхность электрода, проходя между микрокристаллами W, так что на поверхности W образуются отдельные «островки» пленки. Затем пленка расползается по поверхности W, образуя одноатомный слой. Но излишек примесей La или Th может вызвать деполяризационный эффект и увеличение работы выхода. Поэтому La и Th менее 2%.

Оксидные или примесные пленки влияют на эмиссию элементов при ; в противном случае они испаряются и электрод становится чистым.

Для электроннолучевой сварки (ЭЛС) используют оксиды с покрытиями щелочноземельных элементов или неметаллические материалы ThO₂ или LaB₆ (лантоберит)

.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

• ← пленки пвх адилет для фасадов мдф каталог
• пленочные фасады для кухни испортились у духовки →