Влияние режимов эксплуатации на эмиссию оксидного катода

Эмиссионные свойства катода в процессе эксплуатации прибора зависят от соотношения скоростей образования свободного бария в толще катода, его диффузии к поверхности (процессы, вызывающие эмиссию), скорости испарения бария с катода и отравления его остаточными газами (процессы, ухудшающие эмиссию).

На интенсивность протекания полезных и вредных процессов влияют режимы работы катода в приборе.

Режим работы определяется температурой катода, напряженностью электрического поля, плотностью тока, отбираемого с катода, наличием или отсутствием пространственного заряда, частотой включения и выключения тока накала (при работе прибора в условиях прерывистого режима накала — ПРН).

Рабочая температура — минимальная температура катода, которая необходима для обеспечения требуемой плотности тока эмиссии.

Всегда следует стремиться работать при возможно более низкой рабочей температуре катода¹, потому что снижается скорость испарения бария, оксидов щелочноземельных металлов и металла керна (снижение рабочей температуры катода на 15—20°С повышает его долговечность в 2 раза, снижение температуры катода на 60—70°С повышает его долговечность в 10 раз); снижается интенсивность напыления металлических пленок на детали и стеклооболочку прибора и соответственно уменьшается вероятность пробоев, паразитной эмиссии и утечек в приборе; уменьшается интенсивность образования запорного слоя с высоким сопротивлением на границе между керном и оксидным покрытием; снижается вероятность разрыхления и осыпания оксида; облегчается тепловой режим и уменьшается деформация сетки или модулятора (практически эти детали поглощают ~ 30% мощности, излучаемой катодом); уменьшаются временные термические нагрузки в спаях металла со стеклом и керамикой (см. с. 139); уменьшается вероятность электролиза стекла между вводами ножки, приводящего к медленному натеканию воздуха в прибор; предотвращается перегорание нитей накала; уменьшается размер кроссовера, увеличивается плотность тока луча и соответственно повышаются разрешающая способность, яркость и контрастность ЭЛТ.

Снижения рабочей температуры катода без уменьшения его эмиссионной способности можно добиться путем уменьшения работы выхода катода (например, за счет применения эффективных материалов для эмиттирующего покрытия и керна катода, оптимизации режимов активирования катода и т. д.) и повышения вакуума в приборе.

Однако следует учитывать, что снижение рабочей температуры катода допустимо только при наличии в приборе высокого вакуума. Это обусловлено тем, что по мере снижения рабочей температуры катода повышается вероятность сорбции на катод остаточных газов и его «отравления». Так, например, давлению остаточных газов 10⁴ Па соответствует минимально допустимая температура катода 900°С, давлению 10⁶ Па —800°С, при давлении 10 Па рабочая температура может быть снижена до 710°С.

Практическая температура катода имеет разброс как в различных экземплярах одного и того же типа прибора, так и во времени.

Практически на температуру катода влияют следующие технологические факторы и конструкция аппаратуры, в которой применяются ЭВП:

разброс тока накала однотипных катодов, обусловленный допусками на геометрию и состав материала подогревателей (по техническим условиям на катоды допускаются отклонения тока накала ±7—10 % от номинального);

неуправляемые скачки тока накала в момент подачи на подогреватель катода напряжения, обусловленные тем, что сопротивление нитей накала в холодном состоянии в 9 раз меньше, чем в разогретом. Поэтому в момент включения напряжения накала необходимо ограничивать пусковые токи: либо путем плавного постепенного повышения напряжения накала при включении, либо увеличением индуктивного напряжения рассеивания трансформатора накала, которое при включении накала выполняет функцию пускового сопротивления;

разброс напряжения накала однотипных приборов (обычно в пределах ± 5—10%), обусловленный недостатками конструкции трансформаторов и стабилизаторов напряжения накала (в частности, напряжение на выходе мощных стабилизаторов существенно отличается от синусоидальной формы, что вносит дополнительные погрешности при установке номинального напряжения накала); разброс напряжений накала, обусловленный колебаниями напряжения в электрической сети питания. Следует учитывать, что практическое повышение напряжения накала катода на 7% от номинального (и соответственно повышение температуры катода на 50°С) приводит к снижению гарантированной долговечности

Время разогрева прямонакальных катодов обычно в 50—100 раз меньше, чем катодов косвенного накала. При прочих равных условиях для снижения времени разогрева следует повышать вакуум в приборе, уменьшать толщину керна и эмиссионного покрытия, улучшать теплообмен между подогревателем и катодом, а также между керном и покрытием.

Количество электронов, вылетающих из катода в единицу времени, зависит только от его температуры и не зависит от анодного напряжения.

Количество электронов, достигающих анода, зависит от анодного напряжения.

Режимом пространственного заряда называется режим работы прибора, при котором количество электронов, вылетающих в единицу времени из катода, превышает количество электронов, достигающих в единицу времени анода. При этом часть электронов остается вблизи катода и образует отрицательный пространственный заряд, который ограничивает напряженность поля, экранирует и защищает поверхность катода от разрушения электрическим полем анода: анодное поле вытягивает электроны не из катода, а из области пространственного заряда. Поэтому работа прибора в режиме пространственного заряда обеспечивает высокую долговечность и стабильность катода.

Для регулирования и установки оптимального накала ЭВП на входе трансформатора накала в зависимости от мощности накала включают соответствующие регуляторы накала (магнитоуправляемые дроссели, тиристорные регуляторы или реостаты накала; наиболее эффективны управляемые дроссели с самоподмагничиванием и отрицательной обратной связью):

потемнение поверхности катода, обусловленное образованием углеродистой пленки (например, при высокой температуре на заварке приборов или наличии на деталях органических загрязнений) или напылением на катод пленки металлов;

выделение джоулевой теплоты при отборе с катода тока — это приводит к повышению температуры катода (относительное приращение подогрева катода примерно пропорционально квадрату катодного тока).

На катоде магнетронов в динамическом режиме рассеивается дополнительная высокочастотная мощность (иногда превышающая 100 % номинальной мощности накала): за счет интенсивной обратной бомбардировки их катодов электронами, возвращающимися на катод; за счет джоулевой теплоты и диэлектрических потерь в активном покрытии катода.

Время теплового разогрева катода — время, необходимое для нагрева катода до рабочей температуры (с):

В режиме пространственного заряда анодный ток не увеличивается при увеличении напряжения накала (температуры катода), однако постепенно увеличивается по мере повышения анодного напряжения. Этот режим имеет место при высоких температурах катода и относительно низких анодных напряжениях.

При увеличении анодного напряжения (или снижении напряжения накала) наступает режим насыщения.

В режиме насыщения отрицательный пространственный заряд около катода отсутствует: все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. В режиме насыщения анодный ток равен току эмиссии с катода: анодный ток не увеличивается при повышении анодного напряжения, однако значительно увеличивается при повышении напряжения накала (температура катода). При работе в режиме насыщения катод испытывает сильные перегрузки под действием электрических полей, вырывающих электроны непосредственно из пор оксидного покрытия, а не из области пространственного заряда.

На практике работа катода в режиме насыщения наступает: при уменьшении тока накала в случае нестабилизированного напряжения накала или увеличенного сопротивления подогревателя; при включении высоких анодных напряжений раньше, чем произошел нагрев катода до рабочей температуры; при низком вакууме в приборе, приводящем к охлаждению катода (за счет теплопроводности остаточных газов) и к отравлению катода; в процессе длительной эксплуатации прибора, так как наступает постепенное истощение запасов бария в катоде и снижение его удельной эмиссии.

Наиболее неблагоприятным режимом для ЭВП с оксидным катодом является дежурный режим без токоотбора, в этом случае скорость роста электрического сопротивления запорного слоя катода имеет наибольшее значение.