6. Термокатоды, их назначение. Конструкция и классификация. Достоинства и недостатки каждого вида.

Термокатоды применяются во всех электровакуумных и электроннолучевых приборах, технологических и исследовательских установках. Они должны создавать как можно больший поток первичных электронов при наименьших затратах энергии в течение максимально долгого времени. Их принять характеризовать четырьмя параметрами:

- рабочей температурой   ;

- плотностью тока эмиссии    при рабочей температуре, связанной с рабочей температурой формулой Ричардсона – Дашмэна

                               

- эффективностью   , равной отношению рабочего тока     к  электрической мощности   , затрачиваемой на подогрев катода,

                                          

- долговечностью  , измеряемой в часах непрерывной эмиссии рабочего тока при рабочей температуре.

Из формулы Ричардсона – Дашмэна следует, что больший рабочий ток можно отобрать от  термокатода, способного работать при более высокой температуре, либо обладающего меньшей работой выхода. Оба подхода используются при разработке реальных термокатодов.

По физико-химической природе эмитирующего материала термокатоды принято делить на следующие классы:

                   - тугоплавкие;

                   - торированные;

                   - оксидные;

                   - боридные;

                   - карбидные;

                   - редкоземельные.

Тугоплавкие термокатоды изготавливают из металлов с высокой температурой  плавления – вольфрама W  , тантала Ta  , реже молибдена Мо  . Конструктивно они представляют собой металлическую нить, разогреваемую омическим теплом при протекании электрического тока, поэтому их называют прямонакальными. Эмиссионные постоянные и работы выхода перечисленных металлов приведены в Таблице 2.1. Рабочие температуры тугоплавких термокатодов на 300 – 600К ниже температуры плавления, поэтому токи термоэмиссии оказываются весьма значительными,   .

Главный недостаток прямонакальных тугоплавких термокатодов – невысокие экономичность и долговечность из-за больших затрат мощности на подогрев и испарения материала. Эффективность их обычно лежит в интервале   , а долговечность не превышает    .

                                                                                         Табл.2.1

Металл
W	4,55	75
Ta	4,19	55
Mo	4,20	55

      

Значительно лучшими параметрами обладают плёночные термокатоды. Их получают нанесением монослоя электроположительных атомов на эмиттирующую поверхность. Исторически первым катодом такого типа стал торированный катод – вольфрамовая нить, покрытая слоем атомов тория. Электроположительные атомы охотно отдают один из валентных  электронов вольфраму.  В результате на поверхности образуется искусственный двойной электрический слой, поле которого противоположно полю динамического двойного слоя (рис.2.1). Работа выхода торированного вольфрамового термокатода снижается до  , что позволяет отбирать ток эмиссии   при температуре  .

       Рис.2.1. Механизм снижения работы выхода плёночного

                       термокатода.

 

Оксидные катоды также относятся к плёночным, но происхождение слоя электроположительных атомов на их поверхности совершенно иное. Ещё в 1903 году немецкий физик Артур Венельт(1871 – 1944) обнаружил, что платиновая проволока, покрытая слоем карбоната кальция  , обладает такой же эмиссией, что и W  при  . В дальнейшем был найден оптимальный состав смеси карбонатов    и режимы их термообработки, обеспечивающие максимальную эмиссию. Катоды с оксидным эмиттирующим слоем подогреваются независимым электрическим нагревателем.  Конструктивно они представляют собой цилиндр, на боковую поверхность или торец которого наносится слой карбонатов. В процессе термообработки карбонаты превращаются по реакции

 

в оксиды, которые  спекаются в монолитный пористый слой. По зонной структуре он является полупроводником n – типа с широкой запрещённой зоной    и  малым электронным сродством   . Столь малое значение сродства обусловлено образованием на поверхности оксидного монослоя электроположительных атомов  . Работа выхода полупроводника  n – типа, как отмечалось ранее, ненамного превышает величину электронного сродства, и составляет   .

Оксидные термокатоды этого типа значительно эффективнее тугоплавких, а по долговечности значительно их превосходят (Табл.2.2)

                                                                                         Табл.2.2

Тип катода				Долговечность,       ч
W	2700
W - Th	1900
BaO	1100

 

В 50-е – 60-е годы прошлого века для приборов СВЧ - электроники, электронных микроскопов и технологических установок были предложены термокатоды на основе боридов и карбидов переходных металлов и редкоземельных элементов. Катоды на основе монокристаллического гексаборида лантана    при температуре   обеспечивают токи эмиссии до  . Гексаборидбариевые  -катоды отдают токи до  , но при этом  и рабочая температура их равна  . Работа выхода карбидных катодов достаточно велика, но зато они способны длительно работать при температурах, превышающих   , отдавая токи эмиссии до    . Эмиссионные параметры некоторых современных катодных материалов приведены в Табл. 2.3.                                                                              

Табл.2.3

Материал катода
	3,0
		-	-	-
		-
			-	-
Моно- (100)		-

 

Долговечность катодов определяется главным образом скоростью термического испарения эмитирующего слоя либо скоростью его распыления бомбардирующими ионами. Эти процессы прогнозируемы. Современные маломощные термокатоды устойчиво работают до 100000 часов. Долговечность мощных термокатодов не превышает 10000 часов. Рекордную долговечность продемонстрировал катод мощного тетрода на радиостанции Лос-Анджелеса. После 80000 часов работы он был признан вполне годным и помещён на хранение в ЗИП.

Сократить срок службы термокатода может внезапная потеря эмиссии. Это может произойти по причине его механического разрушения либо вследствие  “отравления”. Отравлением термокатода называется осаждение на эмитирующую поверхность монослоя электроотрицательных атомов. Наиболее опасным отравителем является кислород. Он способен захватывать электроны из катода и образовывать, таким образом, поверхностный двойной электрический слой, поле которого совпадает по направлению с полем динамического двойного слоя (рис. 2.2). Вследствие этого работа выхода сильно увеличивается. Например, монослой кислорода на вольфраме повышает работу выхода до  ! Преодолеть такой потенциальный барьер при   у электрона нет никаких шансов. Поэтому предотвращение “отравления”– важнейшая задача при проектировании и изготовлении термокатодов.

 

           

Рис. 2.2. Энергетическая диаграмма “отравленного” термокатода