Sb98836

При 1 < K1 < 1.1 тепловой расчет выполняется без учета теплового отвода посредством теплопроводности. При K1 > 10 можно не учитывать тепло-

вое излучение, тогда K 1 0.5K2K1 1 0.5qqтеп .

Решение критериального уравнения позволяет найти соотношение между Tmax и Т1. Возможны два направления расчета:

1)по известной температуре Т1 и геометрии охлаждаемых элементов определяется Tmax ;

2)по выбранной Tmax в соответствии с условием Tmax Тдоп рассчиты-

ваются Т1 и система охлаждения.

При использовании критериальных уравнений чаще применяют второй путь. Определяется тепловой поток теплопроводности, который должен отводиться охлаждающим устройством в точке с температурой Т1:

Для сеток стержневой конструкции полученные T1 и Qλ достаточны для расчета охлаждающей системы. Для спиральных сеток необходимо дополнительно рассчитать тепловой режим траверз. Так как траверзы выполняются довольно большого поперечного сечения из материала с высокой теплопроводностью, тепловой режим рассчитывается без учета излучения траверз. Решение критериального уравнения в этом случае дает следующий результат для температуры охлажденного конца траверзы T2:

T2 T1 0.5 qтрlтр2 трSтр ,

где qтр 2Q a – мощность, отводимая от витков к единице длины траверзы; lтр – расстояние на траверзе между точками с температурами T2 и T1; λтр – коэффициент теплопроводности траверзы; Sтр – площадь поперечного сечения траверзы. Тепловой поток теплопроводности от каждой траверзы

Отвод теплового потока теплопроводности может быть естественным и принудительным. При естественном охлаждении функцию охлаждающей системы (радиатора излучения) выполняет держатель сетки, площадь поверхно-

сти которого может быть определена по формуле Fp Q0 p T04 , где Q0 –

21

мощность излучения, которую охлаждающая система должна рассеивать при температуре Т0 (для стержневой сетки T0 T1, Q0 nстQ ; для спиральной – T0 T2 , Q0 nтрQ тр , где nст и nтр – число стержней и траверз соответствен-

но); εр – коэффициент излучения материала радиатора. Для повышения эффективности теплового отвода сетки можно увеличить число траверз, увеличить их поперечное сечение, ввести дополнительный радиатор излучения в верхней части.

Антиэмиссионные покрытия. Высокая тепловая нагрузка наряду с требованиями формоустойчивости выдвигает в качестве принципиально важных параметров и антиэмиссионную устойчивость поверхностей сеток, что в большинстве случаев не может быть обеспечено их конструктивным материалом. Так, при температуре, не превышающей 1300…1400 К, уровень термоэлектронной эмиссии молибдена и вольфрама достигает единиц миллиампер с квадратного сантиметра поверхности сеток, что существенно влияет на физический механизм управления электронным потоком и вносит непреодолимые аномалии в работу генераторных ламп как в усилительном, так и автогенераторном режимах. Исключением из этого являются сетки ячейковых приборов, имеющих водоохлаждаемые сеточные блоки, и пирографит, обладающий максимальным антиэмиссионным эффектом (при температуре пирографита 1800 К плотность эмиссионного тока не превышает 1 мкА/см2). Все остальные сетки (а это большинство конструкций сеток ламп с ВТКК) для реализации требований по антиэмиссионным свойствам имеют специальные антиэмиссионные покрытия. Одновременно эти покрытия должны обладать высокими теплоизлучающими параметрами для передачи тепловой нагрузки в сторону внешних (охлаждаемых) электродов и элементов оболочки ламп.

Основными требованиями к антиэмиссионным покрытиям являются:

наличие максимально высокого потенциала работы выхода электронов и устойчивость к напылению активного вещества ВТКК, в первую очередь – то-

рия. Наиболее часто используемыми антиэмиссионными покрытиями являются металлы: титан (исторически наиболее ранний) – в силу простоты технологии и дешевизны, а также благородная платина, обладающая наибольшей работой выхода (более 5 эВ) и имеющая низкую адгезионную способность соединения с большинством конструкционных материалов сеток, а поэтому до последнего времени редко применяемая.

22

Существует способ изготовления антиэмиссионного покрытия на сеточных электродах из молибдена, включающий в себя: формирование катафорезом слоя карбида циркония толщиной порядка 10 мкм; припекание в вакууме при температуре 1770 К; нанесение катафорезом поверхностного слоя платины; припекание при температуре 1300…1600 К. В полученном таким способом композиционном покрытии антиэмиссионным слоем является платина, а карбид циркония выполняет роль диффузного барьера между платиной и керном сетки.

Для уменьшения термоэлектронной эмиссии сеточный электрод покрывают металлом VIII группы Периодической системы элементов Менделеева, в частности платиной. Для уменьшения диффузии платины в керн сетки и повышения излучающей способности между основным металлом и платиной наносят промежуточный слой, состоящий из соединения Zr−Pt или Ti–Pt. Такой способ получения антиэмиссионного покрытия включает в себя следующие технологические операции: на сетку методом катафореза осаждается порошкообразное интерметаллическое соединение Zr–Pt или Ti–Pt толщиной 5…10 мкм, после чего оно в течение 20 мин припекается при температуре 1800…1900 К в атмосфере инертных газов или в вакууме; последующий трехмикронный слой Pt формируется электролитическим способом, после чего сетку вновь отжигают в вакууме при температуре 1800…1900 К. Путем подбора зернистости порошка интерметаллического соединения можно точно устанавливать шероховатость поверхности и тем самым целенаправленно воздействовать на вторичную эмиссию сеточного электрода.

Сеточные электроды генераторных ламп с большой емкостью тепловой нагрузки, выполненные из Мо [4], W или Та, имеют антиэмиссионное покрытие, включающее промежуточный слой, образованный металлоидом и металлом, из которого выполнена сетка, и поверхностный слой платины. Предпочтительная толщина промежуточного слоя с небольшой шероховатостью составляет 15 % от ширины металлической проволоки. Толщина поверхностного металлического слоя Pt достигает 30 мкм.

Возможно получение антиэмиссионного интерметаллического покрытия Pt3Zr [5], [6]. В данном технологическом процессе для нанесения покрытия карбида циркония используется плазменно-дуговой метод, осуществляемый плазмотроном с самоустанавливающейся длиной дуги в аргоне при давлении 10 кПа. Однако данный способ получения карбида циркония характеризуется наличием существенных недостатков:

23

–используемый в качестве исходного материала для формирования карбидного слоя порошок ZrC является взрыво- и пожароопасным веществом, что требует соблюдения очень строгих правил по технике безопасности как при его хранении, так и при работе с ним;

–формируемые покрытия ZrC обладают невысокой адгезией, что в дальнейшем снижает сцепление многослойного покрытия с керном сетки.

Проблемой по улучшению антиэмиссионных свойств покрытий занимаются в тех странах, где осуществляется разработка генераторных ламп, при этом все основные решения сводятся к использованию многослойных покрытий с оконечным использованием платины Pt. Применение гладкого электролитического покрытия платины не обеспечивает высокой излучательной способности поверхности сеточного электрода, в результате чего повышается его температура, а следовательно, растет скорость диффузии Pt в материал основы. В случае применения шероховатых покрытий (особенно из порошка)

влампе возникают искрения, снижающие электрическую прочность прибора.

Ионно-плазменные технологии нанесения титановых покрытий. На-

иболее широко в качестве антиэмиссионного покрытия на сетках генераторных ламп с ВТКК в настоящее время применяется титан. Механизм работы титана состоит в десорбции атомов активного вещества катода с поверхности сетки при достаточной тепловой нагрузке. Расчетная температура десорбции тория с поверхности титана составляет 900 К. Работа выхода титанового покрытия в условиях напыления активного вещества с катода составляет 3.0 эВ при температуре 1000 К, 3.16 эВ – при 1200 К и 3.35 эВ – при 1400 К. Коэффициент излучения для указанных температур, соответственно, равен 0.53;

0.56и 0.58.

Кроме перечисленных положительных свойств титана следует отметить

и тот факт, что в рабочих режимах эксплуатации титановые покрытия являются геттерирующими, активно способствующими поддержанию благоприятных вакуумных условий в приборе. Титан поглощает активные газы и удерживает их в широком температурном диапазоне, начиная с 473 К. Сорбционная емкость титановых покрытий зависит от толщины, шероховатости и пористости покрытия и в значительной степени определяется методом его получения. Титановые покрытия на различных металлах, например на чистом железе, проявляют хорошие поглощающие свойства в диапазоне температур от 770 до 870 К, а при температуре 1370 К уже достигается динамическое равновесие в процессе газопоглощения.

24

В вакууме, при давлении от 8 ∙ 101 до 103 Па, кислород интенсивно поглощается предварительно обезгаженным титаном в диапазоне температур от 470 до 970 К, при этом оптимальной считается температура 770 К. Поглощение водорода начинается при температуре 570 К, а азота, углекислого газа и оксида углерода при температуре от 870 до 970 К. По достижении температуры 1070 К уже наблюдается выделение поглощенных газов, увеличивающееся с дальнейшим ростом температуры. Данный процесс существенно зависит как от режима его активировки, так и от метода получения покрытия. При температуре свыше 1470 К титан начинает активно испаряться и сорбировать даже инертные газы.

Для эффективного выполнения своей роли газопоглощающие покрытия должны быть химически устойчивы, обладать высокой геттерирующей емкостью при низком газосодержании и иметь надежное механическое сцепление с подложкой, что в большинстве случаев и определяет возможность их практического использования.

Для нанесения покрытий на сетки генераторных ламп использовались ва- куумно-дуговые источники плазмы коаксиальной конструкции [7]. Для реализации выбранного типа вакуумно-дугового разряда с интегрально-холодным катодом используется принудительная система водяного охлаждения электродов, обеспечивающая такой режим катода, при котором средняя по его поверхности температура недостаточна для поддержания между электродами тока за счет термоэлектронной эмиссии. В этом случае эмиссионным центром разряда на поверхности отрицательного катода является катодное пятно, представляющее собой небольшую, ярко светящуюся область, через которую происходит перенос тока между катодом и столбом дуги.

Напыление титана позволяет создавать как защитные покрытия, служащие для предотвращения испарения, так и чернящие и антиэмиссионные покрытия, обладающие достаточно высокой адгезией с подложкой. Из свойств титана следует отметить высокую механическую прочность, легкость, высокую температуру плавления, низкий коэффициент вторично-электронной эмиссии, хорошие геттерные свойства и устойчивые характеристики к окислению и взаимодействию с парами щелочных металлов. Обладая перечисленными положительными свойствами, титан имеет невысокий коэффициент излучения – порядка 0.4, что, однако, существенно превышает соответствующий показатель для меди.

25

При взаимодействии титана с водородом вначале образуются твердые растворы внедрения (массовая доля Н2 до 33 %), а с повышением температуры количество поглощаемого водорода возрастает и возникает новая кристаллическая структура с более или менее упорядоченным расположением атомов водорода. Аналогично происходит взаимодействие с кислородом: вначале образуются твердые растворы (массовая доля О2 до 30 %), а с повышением температуры концентрация поглощенного кислорода увеличивается, при этом доля металлической связи падает, а ковалентной увеличивается. Последовательные стадии окисления можно выразить следующей схемой:

Ti O2 Ti O Ti6O Ti3O TiO Ti2O3 TiO2 .

Для эффективного выполнения своей роли газопоглощающие покрытия должны быть химически устойчивы, обладать высокой геттерной емкостью при низком газовом содержании и иметь надежное механическое сцепление с подложкой, что в большинстве случаев и определяет возможность их практического использования.

Для нанесения титановых покрытий использовались вакуумно-дуговые источники плазмы коаксиальной конструкции с диаметрами катодов 60 и 100 мм и протяженные катоды длиной 500 мм.

Наличие в продуктах эрозии капельных образований приводит к получению шероховатого покрытия с развитой поверхностью. Данное условие оказывает благоприятное влияние на газопоглотительные свойства титанового покрытия [8], наиболее эффективно поглощающего преобладающие в вакуумных системах остаточные газы активной группы: водород, кислород, азот. С ростом рабочей температуры катода в потоке увеличивается процентное содержание нейтрального пара и капельных образований, что подтверждается зависимостями скорости роста наносимого покрытия от величины отрицательного смещения, задаваемого на подложку, полученными при различных длине и, соответственно, температуре катода.

По мере распыления материала катода наблюдается уменьшение его рабочей температуры. В конце работы, когда длина катода уменьшается, вся мощность, выделяющаяся на катоде, отводится в систему водяного охлаждения. При этих условиях скорость роста наносимого покрытия определяется положительно заряженным компонентом плазменного потока. Наблюдаемое уменьшение толщины наносимого покрытия с увеличением отрицательного напряжения смещения связано уже с эффектом распыления, возникающего за

26

счет бомбардировки обрабатываемой поверхности высокоэнергетическими ионами. Таким образом, количественный состав капельных образований связан с изменением в процессе работы интегральной температуры катода.

Процентное содержание капельной фракции в генерируемом плазменном потоке зависит от температуры плавления материала катода. Так, для тугоплавких металлов, таких как молибден и вольфрам, эти величины находятся на уровне единиц процентов, в то время как для меди эта величина составляет примерно 50 %. Уменьшение количества генерируемых капель ведет к увеличению в плазменном потоке доли ионной составляющей.

Максимальное количество капельных образований испаряется с рабочей поверхности катода под углом 20...30° к его плоскости, и для формируемого потока наблюдается картина радиальной симметрии.

Газопоглощающие свойства титановых покрытий, полученных при температуре катода ниже температуры рекристаллизационного отжига, проявлялись при температуре 770 К. С повышением температуры до 970 К сорбция воздуха возрастала в 10 раз по сравнению с сорбцией при температуре 770 К. Удельная сорбция при этом составляла 2.6 л мкм/см2.

При температуре катода свыше 970 К у полученных покрытий эффект ориентации был выражен слабо и они имели рыхлый, шероховатый характер. В этом случае сорбционные свойства начинали проявляться уже при температуре 570 К, а по достижении 970 К сорбция увеличивалась примерно в 16 раз по сравнению с начальными результатами. Удельная сорбция в этом случае составила 7.4 л мкм / см2, что в 3 раза превысило значение для гладких покрытий.

Металлографические исследования покрытий показали, что для титана при температуре катода ниже 770 К получаемые покрытия имели сложную структуру. Рост отрицательного смещения (по абсолютному значению) на обрабатываемой подложке ведет к созданию покрытия с сильно выраженными компонентами [111], [110] и [012], в то время как при температуре катода свыше 770 К эффект ориентации выражен слабо и покрытие имеет рыхлый шероховатый характер. Уменьшение коэффициента вторичной эмиссии достигается ростом шероховатости покрытия, что объясняется затрудненным выходом вторичного электрона в слое с лабиринтной структурой.

Предельно допустимая мощность рассеивания сеток с титановым покрытием, не превышающим толщины 105 м, определяемая по допустимому

27

уровню термотока 105 А/см2, составила 6…7 Вт/см2, что соответствует тем-

пературе 1200…1300 К.

Покрытие металлоподобными соединениями. Более высокую эффек-

тивность по уровню термотока к тепловой нагрузке имеют металлоподобные покрытия [9] на основе простейших соединений титана и циркония: карбиды – TiC, ZrC; нитриды – ZrN; бориды – ZrB2. Наиболее применяемым является покрытие карбида циркония, обладающее хорошей проводимостью при исключительно высокой температуре плавления (3800 К).

Технология формирования такого антиэмиссионного покрытия первоначально предусматривала использование плазмотронов, представляющих собой электродуговые испарители порошка карбида циркония с наддувом инертного газа или азота. Эта технология так называемого динамического вакуума позволяла формировать на молибденовых и вольфрамовых сетках устойчивый и достаточно тонкий слой покрытия, на который также было возможно качественное нанесение гальваническим методом слоя платины. Применяемая технология расширяла возможности создания существенно более стойких покрытий как в отношении тепловых нагрузок, так и в отношении деградации покрытия в течение срока службы лампы.

В последнее время широкое развитие получили вакуумные ионно-плаз- менные методы нанесения слоев антиэмиссионных покрытий. Это относится как к формированию чисто металлических (титан), так и получению сложных интерметаллических покрытий на основе карбида циркония и платины, образующих слой с гексагональным типом кристаллической решетки Pt3Zr. Слой карбида циркония ZrC обеспечивает плотное прилегание слоя поверхностной платины и препятствует ее диффузии в сторону основы сетки. Основным параметром такого антиэмиссионного покрытия при удельной плотности мощности до 12…14 Вт / см2 и T = 1470…1500 К является плотность тока эмиссии, не превышающая 10 мкА/см2.

Собранные из молибдена и вольфрама сеточные электроды после операций химической очистки и вакуумного высокочастотного отжига устанавливаются в рабочий объем установки ионно-плазменного нанесения покрытий.

3. Аноды электронных приборов

Аноды всех мощных генераторных ламп изготавливаются из меди и всегда являются частью вакуумной оболочки лампы. Одновременно с этим в лампе анод является самым теплонагруженным электродом: передаваемая

28

через него плотность теплового потока составляет до 150 Вт/см2 для ламп с принудительным водяным охлаждением анода, а в некоторых случаях (лампы СВЧ) превышает и это значение. Для эффективной передачи тепла и снижения динатронного эффекта внутренняя поверхность анода либо матируется, либо покрывается чернящими покрытиями, основными из которых являются черный хром и карбид титана (рис. 3.1).

Конструкция, геометрические размеры и материал анода определяются прежде всего из значений мощности, выделяемой на аноде потоком электронов, и мощностью, поглощаемой анодом за счет излучения с катода и других электродов [10]. Медь относится к вакуумным материалам, не содержащим вредных примесей и газов, и имеет высокие значения коэффициентов электро- и теплопроводности, легко подвергается механической обработке и хорошо паяется с другими металлами.

У меди сравнительно низкая температура плавления, высокое давление насыщенных паров и большая скорость испарения (при 1550 К она составляет 10–4 кг/(см2 ∙ с)), что ограничивает допустимую рабочую температуру медных деталей значением 700…800 К.

60

40

20

–4 –2 0 0.5 1.0 h, μмкмm

Рис. 3.1. Анод генераторной лампы с напыленным покрытием карбида титана TiC (а) и структура покрытия (б)

Рабочая температура анода в поверхностном слое может превышать допустимое значение, что приводит к сублимации меди, снижающей электрическую прочность прибора. Данная проблема решается путем уменьшения удельных термических нагрузок, приложенных к единице поверхности электрода, или за счет создания развитой рабочей поверхности анода. Основным недостатком подобного метода является увеличение размеров и массы прибора в целом. Наряду со сравнительно низким коэффициентом излучения (порядка 0.08) медь обладает высоким коэффициентом вторичной эмиссии 1.34 и поэтому недостаточно устойчива к воздействию электронных и ион-

29

ных потоков, что приводит к ее распылению и снижению электрической прочности приборов.

Поиски методов, предотвращающих распыление, привели к разработке целого ряда предложений по защите рабочей поверхности анодов слоем тугоплавкого металла, обладающего низким коэффициентом вторичной эмиссии и высоким коэффициентом излучения и имеющего при этом хорошую адгезию с подложкой [11]. Из методов, нашедших свое применение на практике, следует выделить гальванический способ чернения внутренней поверхности камерных анодов черным хромом и осаждение вольфрама из газовой фазы. Исследования показали, что эти процессы имеют существенные ограничения в части осаждения покрытия в глубокие камеры анода. В первом случае это объясняется малым проникновением электрического поля в камеры, а во втором – экранировкой дна камеры ребрами.

30