матах. На рис. 168 приведена принципиальная схема конструкции электрической отпаечной печи. Подбирают оптимальную величину тока, при помощи которого быстро разогревают стекло штенгеля до размягчения и отжигают место отпая. Для качественного электроотиая необходимо применять штенгели с малым разбросом по диаметру и толщине стенки.
Рис. 168. Конструкция электрической отпаечной печи:
1 — спираль верхняя, 2 — спираль нижняя, 3 — корпус, 4 — ввод электропитания, 5 — керамическая изоляция, 6 — основание* 7 — контакт подачи напряжения на штырьки ножкн
Качество готовых приборов улучшается, если прибор находится в нагретом состоянии (при температуре не менее 200°С). При ох лаждении прибора перед отпайкой давление некоторых остаточных, газов в нем может оказаться ниже давления в вакуумной системе — это приведет к диффузии из системы в прибор паров и газов. (Рез кое снижение давления при охлаждении прибора объясняется по вышением скорости газопоглѳщения остаточных газов стеклянными стенками прибора при снижении их температуры). Практика пока зывает, что при отпайке прибора в нагретом состоянии вакуум в нем в дальнейшем становится на порядок выше по сравнению с ва куумом в приборе, отпаянном в охлажденном состоянии.
Отпайку приборов следует производить при нагретом катоде (дет температуры не менее 500°С), т. е. при включенном напряжении накала. Это уменьшает вероятность отравления катода газами' и парами, выделяющимися при размягчении штенгеля прибора.
В процессе отпайки должны непрерывно работать насосы — это позволит хотя бы частично удалить из прибора газы, выделяющие ся при разогреве штенгеля прибора.
Отпайку приборов следует производить по возможности быстро, сократив до минимума время, необходимое для затягивания отвер стия в штенгеле прибора. При отпайке по мере уменьшения диа
метра отверстия в штенгеле резко снижается скорость откачки. При этом увеличивается количество газов, которое выделяется из штенгеля, но не успевает откачаться и остается внутри прибора.
Перед отпайкой прибора не рекомендуется предварительное обезгаживание штенгеля мягким пламенем — особенно при низком давлении в приборе, близком к предельному давлению насоса и со ответственно малой скорости откачки. Выделяющие при этом адсор бированные газы (составляющие ничтожную долю от количества га зов, содержащихся в толще стекла штенгеля) практически не отка чиваются (ввиду того, что при низких давлениях скорость откачки блйзка к нулю) и могут привести к отравлению катода *.
Ухудшение параметров прибора и отравление катода при отпай ке зависит не только и не столько от количества выделяющихся при размягчении штенгеля газов, сколько от их состава. При от пайке в прибор попадают именно те газы и пары, которые находят ся в толще стекла и которые невозможно обезгазить.
Процесс холодной сварки заключается в том, что штенгель пе режимается клещами, имеющими губки специальной формы. При давлениях порядка 300 кГ/мм2 для меди и 500—600 кГ/лш2 для стали металл стенок штенгеля взаимно диффундирует, исчезают границы раздела и образуется сплошная кристаллическая струк тура. Место холодной сварки штенгелей выдерживает нагрев до
400° С.
* В процессе быстрого отпаивания прибора эти газы не успевают выде литься в объем прибора.
Контрольные вопросы
1.Какова принципиальная технологическая схема вакуумной обработки при
боров?
2.В каких случаях вакуум в приборе может оказаться выше вакуума в си
стеме?
3.Расскажите о назначении процесса обезгаживания деталей.
4.Какие методы обезгаживания деталей вы знаете?
5.В чем заключаются особенности обезгаживания стеклянных деталей?
6.Нарисуйте и объясните кривую обезгаживания стекла.
7.Какие способы снижения газовыделения стекла вы знаете?
8.Какова технология обезгаживания металлических деталей токами высокой частоты?
9.Как происходит обезгаживание деталей электронной и ионной бомбар дировкой?
Г л а в а XVII ВАКУУМНАЯ ОБРАБОТКА КАТОДОВ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ
§ 95. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КАТОДОВ
Как уже указывалось в гл. II, в электровакуумных приборах в основном применяют термоэлектронные, фотоэлектронные,, авто электронные и вторично-электронные катоды.
Элементами характеристики термоэлектронных катодов являют ся допустимая плотность тока, рабочая температура, эффективность и долговечность.
Допустимая плотность тока (а/см2) — максимальная величина тока, которую можно отбирать с 1 см2 поверхности катода в рабо чем режиме без разрушения эмиттирующего слоя.
Рабочая температура (°С) — температура, при которой дости гается требуемая плотность тока катода. С повышением рабочей температуры увеличивается плотность тока эмиссии и скорость диф фузии активных присадок из внутренних слоев катода (положитель ные факторы), однако резко возрастает скорость испарения актив ного вещества катодов и образования запорного слоя (отрицатель ные факторы).
Эффективность катода (ма/вт) — отношение тока эмиссии като да к мощности, затрачиваемой на его нагрев. При прочих равных условиях чем меньше коэффициент излучения материала катода, тем выше эффективность катода.
Долговечность (срок службы) — время, в течение которого ка тоды способны обеспечивать значение тока эмиссии в заданных пре делах. На долговечность катодов влияют испарение активного ве щества катода, равномерность распределения активного вещества и скорость его диффузии к поверхности, характер присадок и при месей, разрушение активного вещества ионной бомбардировкой, об разование посторонних пленок, снижающих эмиссию, взаимодейст вие активного вещества с остаточными газами и другие факторы. Уже говорилось, что из термоэлектронных катодов наибольшее рас пространение в электровакуумных приборах получил оксидный ка тод.
К преимуществам оксидного катода относятся:
большая максимально |
допустимая плотность тока (при |
Т —1100° К она составляет |
ІО4 а/м2, в импульсном режиме можно |
получить плотность тока до ІО6 а/м2) ; |
высокая эффективность |
(порядка 20 ма/вт, а в' ионных прибо |
рах— газотронах и тиратронах « 150 ма/вт) *; сравнительно невысокая рабочая температура («1000° К).
* Для сравнения укажем, что эффективность металлических вольфрамовых катодов составляет 1 ма/вт.
Оксидный катод имеет ряд недостатков: «отравляется» остаточными газами;
разрушается при воздействии сильных электрических полей и при бомбардировке быстрыми ионами;
имеет меньшую стабильность эмиссии по сравнению с металли ческими (например, вольфрамовыми) катодами.
§ 96. НАЗНАЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБЕЗГАЖИВАНИЯ И АКТИВИРОВАНИЯ ОКСИДНЫХ КАТОДОВ
В электровакуумный прибор во время монтажа помещают ме таллический керн, на поверхность которого нанесена паста, состоя щая из углекислых солей (карбонатов) щелочноземельных метал лов — бария, стронция и кальция, замешанных на связующем ве ществе и пластификаторе* (в качестве связующего вещества обыч но применяется нитроклетчатка; пластификатором обычно служит дибутилфталат или этиленгликоль). Этот «полуфабрикат» катода не обладает эмиссионной способностью. Задача термической обра ботки катода во время вакуумной обработки прибора — придать катоду способность эмиттировать (испускать) электроны.
В готовом приборе оксидный катод представляет собой метал лический керн, на поверхности которого находится слой окислов бария, стронция и кальция, причем в толще и на поверхности слоя окислов равномерно распределены атомы свободного металличе ского бария.
Общее время, необходимое для вакуумной и термической-обра ботки оксидного катода, зависит от размеров катода, состава, тол щины и плотности слоя карбонатов, формы зерен, температурных и электрических режимов обработки, скорости откачки и других факторов. Катод в процессе этой обработки последовательно про ходит стадии обезгаживания и активирования.
В процессе обезгаживания удаляются тазы и пары, содержа щиеся в покрытии катода; происходит разложение и удаление свя зующего вещества и пластификатора; разложение карбонатов ще лочно-земельных металлов на окислы и удаление из них газообраз ных продуктов.
После обезгаживания оксидный катод приобретает уже некото рую, хотя и очень незначительную, эмиссионную способность.
Назначение активирования — формирование структуры и соста ва оксидного покрытия, обеспечивающих оптимальную величину и стабильность эмиссии при эксплуатации прибора.
В процессе активирования образуется свободный металлический
»
* Связующее вещество (биндер) цементирует карбонатное покрытие и предо храняет его от повреждений при сборке приборов. Пластификатор уменьшает усадку и тем самым предохраняет растрескивание карбонатного покрытия в про цессе его сушки. Однако в дальнейшем биндер и пластификатор необходимо уда лить из покрытия.
барий из окисла бария; происходит диффузия свободного бария из толщи катода на его поверхность и взаимное растворение окислов бария, стронция и кальция друг в друге с образованием смешанных кристаллов — твердого раствора окислов.
Нецелесообразно изготовлять карбонатное покрытие из одного ■карбоната бария (ВаС03). Карбонат бария при нагревании силь но спекается и даже оплавляется, в результате чего оксидный слой получается плотным, непористым и с малой эмиссией. Углекислый стронций и углекислый кальций, добавляемые к углекислому барию, при нагревании легко разлагаются в вакууме и образуются туго плавкие окислы, препятствующие спеканию оксидного слоя. Это увеличивает пористость, шероховатость оксидного, покрытия и об-, легчает диффузию бария. Окислы стронция и кальция уменьшают также испаряемость оксидного слоя и тем самым увеличивают срок службы катода. Коэффициент излучения оксидного слоя, опреде ляющий температуру катода, также зависит от его структуры и со ответственно от процентного содержания в слое окислов бария, стронция, кальция.
§ 97. ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕЗГАЖИВАНИЯ ОКСИДНЫХ КАТОДОВ
Впроцессе вакуумной обработки прибора катод подвергают обезгаживанию путем следующих процессов:
теплоизлучения от нагретых деталей и оболочки прибора;
пропускания тока накала через подогреватель (катоды косвен ного накала) или непосредственно через керн катода (катоды пря мого накала);
отбора тока эмиссии с катода путем подачи на электроды поло жительного потенциала.
Вбольшинстве случаев обработка катода начинается при дав лениях, не превышающих 1-10-3 мм рт. ст. Теплоизлучение и луче испускание от деталей и оболочки нагревает катод до температуры
~300° С. При этой температуре испаряются остатки растворите
лей и пластификатор и происходит интенсивное разложение нитро клетчатки
CeH80 5 (N 02)2 5С + 2NOa+ 4Н20 + СО
(частично этот процесс протекает уже во время операции «завар ка ножки в колбу»).
При разложении нитроклетчатки также'Образуются тяжелые угле водороды, уксусная кислота, альдегиды и другие вещества. Газооб разные продукты откачиваются, а углерод остается в оксидном по крытии, придавая ему серый цвет *. Газы и пары, выделяющиеся
* В дальнейшем при активировании катода углерод вступает в реакцию с окислами бария, способствуя образованию свободного бария; при этом углерод превращается в газ (окись углерода) и оксидное покрытие белеет. Серый цвет катода после активирования является признаком неполного удаления из покры тия углерода.
«три разложении нитроклетчатки, оказывают окислительное действие на накаленные металлические электроды, особенно молибденовые и железные. Кроме того, эти газы конденсируются на «холодных» электродах. В последнее время рекомендуется вместо нитроклетчат ки применять в качестве связующего вещества полиметилбумираль, полиметилметакрилат, полиэфиры акриловой ■и метакриловой кис лот с употреблением в качестве растворителей бутиловых эфиров гликолиевой кислоты. Эти вещества легче разлагаются и испаря ются при нагреве, содержат в 10 раз меньше золы, чем нитроклет чатка, и не стареют при хранении.
В дальнейшем катод нагревают пропусканием тока накала. Раз ложение нитроклетчатки заканчивается при ~ 570° С.
При температуре 600° С начинается разложение карбонатов кальция, а при более высоких температурах — карбонатов строн ция и, наконец, карбонатов бария.
В процессе разложения карбонатов на катоде одновременно про текают две реакции.
1. Термическая диссоциация карбонатов с образованием окис
лов щелочноземельных металлов: |
|
ВаС03 ^ |
ВаО + |
С 02| |
Карбонат |
Окисел |
Угле |
щелочно- |
щелочио- |
кислый |
земельного земельного |
газ |
металла |
металла |
|
Эта реакция является полезной — она необходима для форми рования структуры катода, состоящей из оксидного слоя. Скорость процесса превращения карбонатов в окислы увеличивается при по вышении температуры и уменьшении парциального давления угле кислого газа над катодом.
2. Химическое взаимодействие карбонатов с материалом керна катода или с активирующими присадками
ВаС03 + № N10 + ВаО + СО f
Эта реакция является вредной — она приводит к окислению ма териала керна и присадок. Образующиеся при реакции окислы ни келя сосредоточиваются на границе между керном и оксидным слоем. При дальнейшем активировании или при работе катода окислы никеля быстро восстанавливаются свободным барием или активирующими присадками в катоде
Ni О — Ва —> Ni -f- ВаО
2NiO ~f- Si —>-2Ni -f- Si02
При этом окисел никеля как бы «поглощает» и бесполезно рас ходует запасы металлического бария и активирующих присадок, ко торые необходимы для придания катоду высокой и стабильной эмис сии. Прослойка окисла никеля на границе керн — оксид замедляет также диффузию активирующих присадок из керна в оксидное по крытие, что затрудняет процесс активирования катода и приводит к повышению рабочей температуры катода при эксплуатации при бора.
Скорость вредной реакции окисления материала керна (взаимо действия керна с карбонатами) резко возрастает при повышении температуры. Поэтому пока весь слой карбонатов, непосредственно контактирующий с керном катода, не превратится в слой окислов, разложение карбонатов следует вести при возможно низких темпе ратурах (не считаясь с увеличением продолжительности процесса) и возможно низком давлении углекислого газа. Увеличение продол жительности обработки катода при низких температурах снижает вероятность растрескивания оксидного слоя. При быстром подъеме температуры из внутренних слоев покрытия выделяется большое количество газов и паров, которые вызывают отлипание, вспучивание и растрескивание поверхностных слоев оксидного слоя, а также происходят резкие структурные изменения в оксидном слое, которые приводят к уменьшению его объема, усадке, растре скиванию и уменьшению прочности сцепления с подложкой *.
На практике разложение карбонатов обычно производят сначала медленно, при низких температурах и давлении остаточных газов не выше 5- ІО-3 мм рт. ст. **. После того как в контакте с керном ка тода вместо карбонатов окажутся окислы бария, стронция, кальция (которые в отличие от карбонатов практически не вступают в хими ческое взаимодействие с материалом кериа и присадками), можно повысить температуру катода до 700—850° С.
С повышением температуры ускоряется процесс разложения карбонатов в поверхностных слоях покрытия и происходит удале ние углерода из оксидного покрытия. Углерод, оставшийся в покры тии после разложения нитроклетчатки, при высокой температуре химически взаимодействует с углекислым газом, выделяющимся при разложении карбонатов
С + СОаг±2СО
Образующаяся окись углерода откачивается вакуумной установ кой. Неполное удаление углерода может привести к нежелательным последствиям: потемнению оксидного слоя, повышению теплоизлу чательной способности катода и соответственно уменьшению его температуры и эмиссионной способности. Интенсивность удаления углерода из покрытия увеличивается с повышением температуры, повышением скорости откачки***и с уменьшением давления окиси углерода в приборе.
* Для уменьшения растрескивания оксидного покрытия (в процессе вакуумной
обработки |
катода) |
рекомендуется |
предварительная |
прокалка карбонатов |
при |
t= 500°С |
(перед их |
нанесением на |
керны катодов). |
Иногда для этой же |
цели |
в оксидную массу добавляют пластифицирующие материалы: дибутилфталат, ме тилметакрилат и др.
** При наличии в кернах большого количества активирующих присадок (Si, Mg) разложение поверхностных слоев карбонатов целесообразно производить по возможности быстро (несмотря на то, что при этом резко возрастает давле ние в приборе). Это связано с тем, что при большой длительности процесса раз ложения карбонатов успевает произойти диффузия активных присадок к поверх ности керна и их окисление, что снижает долговечность изделия.
*** Скорость откачки можно повысить, например, путем заливки жидкого азо та в ловушки вакуумной системы.
Повышенное парциальное давление двуокиси углерода в при боре замедляет разложение карбонатов, однако способствует более полному удалению углерода из оксидного покрытия. Поэтому если при разложении карбонатов, находящихся в контакте с керном ка тода, требуется создавать по возможности малое давление углекис лого газа (для ускорения процесса и предотвращения окисления ■никелевого керна), то дальнейшее разложение поверхностных слоев
карбонатов |
желательно вести при относительно высоком (до |
1 мм рт. ст.) |
парциальном давлении двуокиси углерода (для пол |
ноты удаления углерода из покрытия и облегчения получения сво бодного бария из его окиси).
Чем выше вакуум в процессе вакуумной обработки прибора, тем меньшая температура достаточна для обезгаживания катода. На пример, при вакуумной обработке ПУЛ на полуавтоматах откачки давление остаточных газов в процессе обезгаживания и активиро вания катода практически может повышаться до 0,8 мм рт. ст., по этому для полного разложения карбонатов и удаления углерода требуется высокая температура, достигающая 950° С.
При вакуумной обработке СВЧ приборов на постах давление остаточных газов в процессе обезгаживания и активирования като да не превышает 5 • 10—6 мм рт. ст. (за счет высокой скорости от качки), поэтому для разложения карбонатов и удаления углерода достаточна гораздо более низкая температура ~ 780° С.
При давлении остаточных газов порядка ІО-4 мм рт. ст. разло жение карбонатов начинается при ^«700° С и заканчивается при f«830°C.
В оксидных катодах прямого накала содержится малое количе ство карбонатов. При большой скорости откачки разложение кар бонатов и удаление образующегося углекислого газа происходитнастолько быстро, что он не успевает прореагировать с углеродом в оксидном покрытии. Поэтому поверхность оксидного слоя стано вится серой. Обезгаживание прямонакальных катодов осложняется также неравномерностью температуры по длине катода (холод ные концы) и наличием разности потенциалов между концами катода.
§ 98. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ АКТИВИРОВАНИИ КАТОДОВ
При дальнейшем повышении температуры катода до і —1000° С в толще оксидного слоя образуется свободный металлический ба рий. Этот процесс должен происходить при высоком вакууме в приборе ■— остаточные газы, особенно кислород, вступают в хими ческое взаимодействие со свободным барием и превращают его в соединения, не обладающие эмиссионными свойствами.
При образовании свободного бария протекают следующие фи зико-химические процессы.
1) термическая диссоциация окисла'бария
2ВаО -> 2Ва -f- 0 2
2) восстановление бария из его окисла активирующими присад ками
2ВаО -Ь Si -4 2Ва + Si02
ВаО ■+ Mg - Ва + MgO
3) взаимодействие окислов бария с углеродом или окисью уг лерода
2ВаО +• С -> 2Ва + С 02
ВаО + СО -> Ва + С 02
4) взаимодействие окислов щелочноземельных металлов с во дородом, выделяющимся из керна катода и других деталей, пред варительно отожженных в водороде.
ВаО Ң- Н2 -V Ва + Н20
5) электролитическое разложение окиси бария. При невысокой температуре окись бария является изолятором, однако при нагрева нии ее электрическое сопротивление уменьшается, а при t ~ 900° С электропроводность окиси бария становится значительной. При этой температуре ионы Ва+2 и О-2, из которых построены кристаллы ВаО, получают возможность перемещаться под действием электриче ского поля: ионы Ва+2 движутся к катоду (которым является ни келевый керн), разряжаются на нем, превращаются в нейтральные атомы Ва и оседают на границе между никелевым керном и оксид ным слоем; ионы О-2 движутся к аноду (которым является поверх ностный слой оксидного покрытия), превращаются в нейтральные атомы и молекулы и удаляются в виде газообразного кислорода. Поэтому под действием электролитического разложения окиси ба рия в катоде будет накапливаться некоторое количество металли ческого бария.
Частный случай электролитического разложения окиси бария с образованием свободного бария происходит при бомбардировке катода положительными ионами (например, при высокочастотном разряде в остаточном газе). При этом положительные ионы играют роль анода, на котором выделяется кислород, а свободный барий образуется на границе между никелевым керном и оксидным слоем.
Оксидный катод может быть активирован также напылением ба рия извне на поверхность оксидного слоя (например, при распы лении и подпылении газопоглотителя).
При повышении температуры до 1000° С одновременно с образо ванием свободного бария происходят еще два процесса, обусловли вающих получение высокой эмиссионной способности катода:
1) диффузия свободного бария из толщи оксидного слоя на по верхность— это приводит к равномерному распределению бария в толще и на поверхности катода;
2) взаимное растворение и образование смешанных кристаллов окислов бария, стронция и кальция.
Температура 1000°С является оптимальной для активирования оксидных катодов — повышение температуры сверх 1000° С нецеле сообразно по следующим причинам:
1.Начинается интенсивное испарение металлического бария и окислов щелочноземельных металлов, что приводит к истощению катода, напылению проводящих пленок, утечкам, пробоям, пара зитной эмиссии и т. д.
2.При напылении бария на электроды, находящиеся под отри цательным потенциалом, они начинают эмиттировать электроны — эта «паразитная эмиссия» является неуправляемой и искажает по лезные сигналы.
3.Пленка ВаО, напылявшаяся на электроды, является постоян ным источником кислорода в приборе.
При бомбардировке пленки окисла бария электронами и ионами
.она разлагается и образуются ионы кислорода
ВаО -> Ва + О -2
Кислород, сорбируясь « растворяясь в катоде, создает ловуш ки для электронов. Электроны, которые могут вылететь из катода и участвовать в эмиссии, попадают в эти ловушки и остаются в катоде. Чем больше кислорода содержится в катоде, тем меньше ток эмиссии катода.
Кислород выделяется также при электронной или ионной бом бардировке окислов, появляющихся на электродах прибора при за варке ножки и других термических операциях с прибором.
При оптимальном режиме активирования кислород из катода испаряется в большем количестве, чем барий.
Практика показывает, что уже при /~950оС* начинается ин тенсивное испарение никелевого керна с образованием налетов на деталях и оболочке ЭВП. В последнее время для уменьшения ско рости испарения никеля рекомендуется добавлять в керн 1% цирко ния. При /=1200° С происходит отравление катода из-за образова ния никелита бария (NiBa).
При t > 1000° С имеет место также слишком интенсивный рост смешанных кристаллов (Ва, Sr, С а)0 — это приводит к снижению эмиссионной способности (так при прогреве катода в течение всего 1 мин при 1100° С эмиссия катода резко падает). Наилучшие эмис сионные свойства имеет мелкокристаллическая структура с опти мальным размером смешанных кристаллов порядка 1—2 мкм.
При t > 1000° С резко повышается вероятность высокочастотного пробоя изоляции подогревателя или повреждения оксидного слоя
* При температурах до 930° С никель имеет малую скорость испарения в ва кууме.
