Контроль качества катодов в электронно-лучевых трубках

При работе катода в прерывистом режиме ПРН периодически производится включение и выключение тока накала (10 000—100 000 раз). Такой режим более жесткий, чем в электронно-лучевых трубках (в отличие от приборов, не имеющих модулятора) рабочей поверхностью катода практически является только незначительная часть (~ 10%) общей поверхности оксидного покрытия¹. Ток отбирается только с небольшого центрального участка катода, расположенного напротив центра отверстия диафрагмы модулятора: по мере уменьшения напряжения смещения (уменьшение отрицательного напряжения на модуляторе) рабочая поверхность катода увеличивается. При нулевой разности потенциалов между катодом и модулятором (нулевом напряжении смещения) рабочая поверхность катода приблизительно равна площади отверстия в модуляторе. При положительном потенциале на модуляторе относительно катода рабочей поверхностью катода становится вся площадь оксидного покрытия, однако работа ЭЛТ при положительном потенциале на модуляторе недопустима ввиду отравления катода газами и парами, выделяющимися из модулятора при его бомбардировке электронами и отрицательными ионами.

При работе в условиях ПРИ повышается вероятность появления различных дефектов: усадка и растрескивание оксидного покрытия — это объясняется различием в ТКР никелевого керна и оксидного покрытия; растрескивание и осыпание изоляционного слоя подогревателя, что связано с различием в ТКР вольфрамовой проволоки и алундового покрытия; деформация и изменение геометрической формы подогревателя и соответственно изменение расстояния между катодом и подогревателем и снижение фактической температуры и эмиссии катода, ухудшение эмиссионной способности катода по мере увеличения числа циклов ПРН — это объясняется длительным пребыванием катода в режиме насыщения при включениях и отключениях накала.

Катод первого кинескопа, имеющий коэффициент качества 3,0, обладает в 3 раза лучшей эмиссионной способностью (лучше проактивирован, менее отравлен остаточными газами, содержит больше активного вещества), чем катод второго кинескопа, имеющего коэффициент качества ~ 0,9.

По изменению коэффициентов качества в процессе эксплуатации приборов катоды подразделяются на: нормальные, для которых характерна стабильность коэффициента качества в начале эксплуатации; недотренированные, в которых коэффициент качества в начале эксплуатации растет; слабые, коэффициент качества которых в начале эксплуатации интенсивно уменьшается.

Следует учесть, что высокий коэффициент качества катода не всегда гарантирует его надежность и долговечность. Например, катод с отравленным или разрушенным центром, но с большой эмиссией на остальных нерабочих участках оксидного покрытия может иметь высокий коэффициент качества, но малую долговечность. Это объясняется тем, что коэффициент качества оценивает суммарную эмиссионную способность всей площади катода, равной диаметру отверстия в модуляторе, а практически рабочей поверхностью катода в процессе эксплуатации прибора является только центральная часть катода.

В производственных условиях для ориентировочного прогнозирования долговечности катода обычно служит отношение анодного тока при недокале (т. е. при напряжении накала на 10 % ниже номинального) к анодному току при перекале (т. е при напряжении накала на 10% больше номинального).

Для характеристики эмиссионной способности катода вне зависимости от геометрии электронно-оптической системы служит коэффициент качества катода.

Два кинескопа, имеющие одинаковый максимальный ток (например, 600 мкА) и разное запирающее напряжение (например, 35 и 75 В), будут иметь различные коэффициенты качества катода:

Качественные катоды должны удовлетворять следующем» условию: чем больше величина этого отношения, тем больше пространств венный заряд в прикатодной области при номинальном напряжении накала.

В лабораторных условиях для оценки эмиссионной способности (активности) катода строят его нелокальную характеристику. Для получения нелокальной характеристики обычно применяется так называемый dip-метод: при постоянном напряжении анода путем уменьшения напряжения накала постепенно снижают температуру катода — при этом с помощью двухкоординатного самописца вычерчивается график зависимости катодного тока от температуры катода (рис. 27.18). Температура катода в процессе остывания контролируется инфракрасным пирометром.

Как известно, каждой температуре катода соответствует определенное напряжение накала, поэтому нелокальную характеристику можно представить на графике как зависимость катодного тока от напряжения накала (постепенно уменьшающегося от номинального значения до нуля).

Нелокальная характеристика катода 3 состоит из трех четко различающихся характерных областей:

область I— катод работает в режиме насыщения, наблюдается крутой спад тока при снижении напряжения накала (температунаиболее холодные недоактивированные участки катода работают в режиме насыщения. Этот участок характеризует неоднородность распределения температуры и эмиссионной активности по поверхности катода. На переходном участке наблюдается медленное уменьшение катодного тока по мере снижения напряжения накала (и температуры катода). По ширине этой переходной области можно судить о степени неоднородности эмиттирующей поверхности катода. Количественной характеристикой эмиссионной неоднородности катода служит интервал температур АТ, соответствующий изменению тока эмиссии в 10 раз. Эта область соответствует низким значениям напряжения накала;

область III— катод работает в режиме пространственного заряда, ток катода практически не изменяется при снижении напряжения накала (температуры катода). Эта область соответствует напряжениям накала, близким к номинальным (или температурам, близким к рабочей температуре);

область II— переходная область, в которой отдельные наиболее горячие участки катода работают в режиме пространственного заряда, а отдельные

Характеристической температурой в называется температура, которая соответствует катодному току в точке перегиба нелокальной характеристики. Точка перегиба лежит в области II на пересечении касательных к областям / и III нелокальной характеристики.

Характеристическая температура — минимальная температура катода в данном конкретном приборе, при которой вокруг катода еще имеется отрицательный пространственный заряд.

Во всех случаях эмиссионная способность и потенциальная долговечность катода тем выше, чем меньше характеристическая температура.

Для максимального повышения долговечности ЭВП необходима оптимизация рабочей температуры катода путем максимально возможного ее приближения к характеристической температуре катода в динамическом режиме. На рис. 27.18 кривая 3 соответствует эмиссионно активному (для получения тока 10 мА/см² требуется сравнительно низкая температура) и эмиссионно однородному катоду (для изменения тока катода с 10 мА/см² до 1 мА/см² требуется сравнительно небольшой интервал температур Д7Э; кривая 2 соответствует эмиссионно неактивному и эмиссионно неоднородному катоду (для получения тока 10 мА/см требуется высокая температура, а для снижения тока в 10 раз требуется большой интервал температур). Кривая 1 соответствует эмиссионно неактивному, но эмиссионно однородному катоду.

Оценку качества катода ЭЛТ можно производить путем проецирования увеличенного электронного изображения поверхности катода на люминесцентный экран. Для получения на экране изображения катода отключается развертка луча и подбираются соответствующие напряжения на модуляторе и ускоряющем электроде.

Участки оксидного покрытия с высокой эмиссией образуют на экране ЭЛТ равномерно яркую поверхность; участки оксидного покрытия, с которых эмиссия отсутствует или ослаблена, выглядят на изображении катода темными пятнами. На рис. 27,19 и в табл. 27.2 приведены основные дефекты, наблюдаемые на¹ электронном изображении катодов.

Таблица 27.2

Характер дефекта	Причины дефекта	Способ устранения дефекта
В центре катода темное пятно (рис. 27.19,а)	Разрушение катода ионной бомбардировкой	Неисправимый дефект
На катоде темноватые пятна, разделенные светлыми полосками (рис. 27.19,5)	Растрескивание оксида из-за неправильного режима вакуумной обработки (см. с. 483)	Тоже
В центре катода темное пятно с мелкими точками по бокам (рис. 27.19,в)	Налет углерода на катоде (см. с- 490)	Пятно исчезает после повторных активиррвания и тренировки
Темное пятио неопределенной формы и размеров на любом участке поверхности катода (со светлыми участками в темной зоне или без светлых участков, рис. 27 .19,г)	Осыпание или отлипание оксида (обычно это связано с высокой скоростью подъема температуры; с отслоением, обусловленным различием ТКР керна и оксидного покрытия; с наличием паров воды в приборе)	С повышением напряжения накала (и температуры катода) пятно светлеет. Для уменьшения влияния паров воды рекомендуется непосредственно перед откачкой прибора прогреть катод при 80—100°С путем подачи напряжения иакала 1,5— 2В
Темные пятна или точки на поверхности оксида (обычно ближе к краям катода, рис. 27.19,5)	а) Локальные испарения оксида с поверхности керна (например, при увеличении температуры катода под воздействием токов утечек между катодом и подогревателем)	а) С повышением напряжения накала (температуры катода) пятна светлеют
	б) Сбивание оксида при высоковольтном прожиге в условиях низкого вакуума или повышенного газовыделения в приборе	б) Тоже
Оксидное покрытие рыхлое, с большим количеством мелких темных точек (рис. 27.19,е)	Катод иедотренирован	При повышении напряжения накала темные пятна исчезают
Темная поверхность всего катода, дефектов в виде пятеи нет (рис. 27.19,ж)	Поверхностное отравление катода	При повышении напряжения накала катод светлеет

Одним из основных показателей качества катода в ЭЛТ является модуляционная характеристика — графическая зависимость тока луча (анодного тока) от напряжения на модуляторе (рис. 27.20). Эмиссионная способность и качество катода тем лучше, чем круче модуляционная характеристика (т. е. чем больше ее крутизна и меньше модуляция).

Дефектные катоды (например, катоды, центр которых разрушен ионной бомбардировкой или отравлен остаточными газами, а также катоды с большим электрическим сопротивлением запорного слоя или плохим электрическим контактом между оксидным покрытием и керном) имеют аномальные модуляционные характеристики. Аномальные модуляционные характеристики имеют «провал» на определенном участке характеристики: ток луча при снижении отрицательного смещения на модуляторе не увеличивается (как в нормальной модуляционной характеристике), а уменьшается (кривая 2 на рис. 27.20).

В ЭЛТ с аномальной модуляционной характеристикой наблюдается негативное изображение — увеличению полезного сигнала соответствует снижение тока луча: вместо повы-шения яркости наблюдается снижение яркости участка изображения.

Помимо вышеперечисленных дефектов катода на аномалии модуляционной характеристики влияет несоосность между электродами прибора (особенно при наличии в электронно-оптической системе диафрагм с малым диаметром отверстия, срезающих часть электронного луча).

Одним из дефектов модуляционной характеристики является нестабильность тока луча, при постоянном напряжении на модуляторе ток луча не остается постоянным, а медленно растет во времени. Этот дефект обычно связан с недотренированностью катода или высоким сопротивлением запорного слоя.

Для устранения «провалов» в модуляционной характеристике и брака вида «нестабильный ток» рекомендуется производить дополнительную тренировку прибора с повышенным токоотбором с катода (= 23 мА): при напряжении накала на 20—30 % больше номинального, малом отрицательном смещении на модуляторе ~ —50 —10 В и рабочих напряжениях на других электродах (см. с. 536). Повышенный токоотбор способствует более равномерному распределению свободного бария в толще и на поверхности оксидного слоя и вызывает растворение и удаление запорного слоя на границе между керном и оксидным покрытием. Активирование при токоотборе происходит за счет следующих процессов: выделение джоулевой теплоты непосредственно в эмиссионном покрытии катода Q = Q,24I²Rt. (Эта дополнительная тепловая энергия в отличие от энергии, передаваемой излучением от подогревателя, равномерно распределяется по объему покрытия и способствует равномерному ускорению физико-химических реакций, обусловливающих активировку); бомбардировка недо-активированных частиц оксидного покрытия потоком электронов, движущихся через поры в оксидном слое, что приводит к диссоциации оксида бария и равномерному распределению образующегося свободного бария в толще и на поверхности покрытия; удаление из катода ионов кислорода и их переход на электрод.

Наиболее эффективна тренировка катода с повышенным токоотбором в импульсном режиме. Джоулева теплота, выделяющаяся в активном сопротивлении приповерхностного слоя оксидного покрытия в течение коротких микросекундных импульсов, не успевает распространиться внутрь и достигнуть керна вследствие низкой теплопроводности оксида. При этом, с одной стороны, происходит интенсивный процесс активирования оксидного слоя (ввиду высокой температуры в слое оксида), а с другой стороны, не происходит роста сопротивления запорного слоя (ввиду низкой температуры на границе керн — оксид).

«Утомление» катода проявляется в падении тока во времени при постоянном напряжении на модуляторе — этот дефект объясняется перетренировкой катода, истощением активного вещества в катоде и практически не поддается «лечению».

Иногда для выяснения причин брака производят демонтаж готовых приборов, извлечение из них дефектных катодов и анализ катодов под лупой, микроскопом или на шатографе. При дефекте вида «ионный пробой» диаметр разрушений центральной зоны оксидного покрытия (кратера) равен примерно диаметру отверстия диафрагмы модулятора. При ионном пробое вокруг «кратера» обычно видны следы напыленного металла.

В процессе эксплуатации ЭЛТ при нагреве катода происходит удлинение керна катода, что приводит к изменению расстояния катод — модулятор и соответственно к изменению запирающего напряжения, величины модуляции и тока (при одной и той же величине полезного сигнала). Практически в разных образцах ЭЛТ с одним и тем же типом КПУ имеют место флуктуации удлинения катода, связанные с некоторой неоднородностью теплоотвода, разбросом температуры катода от образца к образцу и комплексом других неучитываемых факторов. Удлинение катода в некоторых типах КПУ достигает 75 мкм.