книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие

катода (например, когда одновременно с активированием катода производится обезгаживание металлической арматуры прибора то­ ками высокой частоты).

После приобретения катодом эмиссионной способности рекомен­ дуется производить доактивировку катода путем отбора с него эмис­ сионного тока. Это позволяет повысить эмиссионную способностькатодов, устранить браки, связанные с нестабильностью «величины эмиссии» и с «провалами» в модуляционной характеристике ЭЛТ. Обычно токоотбор с катода происходит в следующем режиме: на подогреватель катода подается напряжение накала ~ на 30%, пре­ вышающее рабочее напряжение накала, а на ближайший к катоду электрод подается положительный (относительно катода) потен­ циал порядка 5—25 в. Чем меньше расстояние между катодом и. электродом и чем меньше температура начала интенсивного рас­ пыления материала электрода, тем меньше должно быть это на­ пряжение — во избежание распыления материала электрода и от­ равления катода.

На практике замечено, что при напряженности поля между константановым электродом (который подвергается электронной бом­ бардировке) и катодом (с которого отбирается ток) более 1000 в/см наступает отравление катода в результате распыления константана и осаждения продуктов его распыления на оксидный слой. Для стальных электродов допустима напряженность поля при отборе тока до 1500 в/см.

Продолжительность токоотбора в процессе вакуумной обработ­ ки прибора колеблется в пределах от 1 до 15 мин. Для ограничения тока, который в этих условиях может достигнуть большой величи­ ны, в цепь электрода обычно устанавливают буферные сопротивле­ ния (в качестве которых могут служить осветительные лампы на­ каливания). Эта мера предохраняет прибор от возникновения ду­ гового разряда (который может иметь место в результате выде­ ляющихся при перекале катода газов) и предотвращает расплавле­ ние катода и электродов (на которые в процессе вакуумной обра­ ботки подаются потенциалы относительно земли), а также распыле­ ние никелевого керна и появление налета никеля на поверхностиподогревателя и стекле колбы.

При нагреве катода без отбора тока эмиссии отсутствует на­ правленное движение электронов и все частицы оксидного покры­ тия имеют одну и ту же температуру. При токоотборе недоактиви­ рованные частицы оксидного покрытия бомбардируются потокомэлектронов, движущихся через поры в оксидном слое. Это приводит к местным повышениям температуры отдельных участков покры­ тия, диссоциации окиси бария и более равномерному распределе­ нию свободного бария в оксидном слое. При токоотборе с катода находящиеся в нем ионы кислорода под действием электрического, поля переходят из оксидного покрытия на анод. Следует учесть так­ же, что при активировании катода с токоотбором электрод, на кото­ рый подается положительный потенциал, бомбардируется электро­

323-

нами и обезгаживается. На токонесущие* электроды в процессе ва­ куумной обработки прибора рекомендуется подавать более высокие потенциалы, чем при тренировке и эксплуатации прибора.

В последнее время большое распространение получили катоды с гладким и плотным покрытием (нагрузка до 3—4 г/см*). Эти като­ ды требуют большего времени и более жестких режимов для акти­ вирования, однако обладают более высокой величиной эмиссии, од­ нородностью эмиссии по поверхности катода, высокой долговеч­ ностью и инертностью к остаточным газам, устойчивостью к про­ боям, искрениям, меньшей паразитной эмиссией и малым количест­ вом шумов, большой механической прочностью и вибропрочностыо.

Катоды с плотным покрытием применяют в малошумящих лам­ пах с большим коэффициентом усиления и в приборах СВЧ, где важно, чтобы электроны, вылетающие с катода, мало отличались по скоростям.

Уменьшение шероховатости катода достигается либо примене­ нием специального оборудования для нанесения карбонатной су­ спензии (пульверизацией карбонатов под высоким давлением), либо осаждением их в центрифуге или при помощи плазменной горелки, либо растворением в бутилацетате поверхностного слоя карбонат­ ного покрытия, разглаживаемого затем силами поверхностного на­ тяжения.

Растрескивание плотных покрытий предотвращается предвари­ тельным напылением на керн слоя оксалата никеля (толщиной 4—7 мкм) с последующим его восстановлением в атмосфере водо­ рода или синтерированием катода.

§ 99. ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ НА РАБОТУ ОКСИДНОГО КАТОДА

Факторы, влияющие на отравление оксидного катода

Активирование катода непосредственно на вакуумной установ­ ке ** не рекомендуется доводить до максимальной эмиссионной спо­ собности.

Окончательное активирование катода, приводящее к образова­ нию значительного количества свободного бария в толще и особен­ но на поверхности катода, следует производить после спаивания прибора с откачной установки, распыления газопоглотителя, тре­ нировки прибора и «жестчения» (снижения давления) остаточных газов в приборе. Это обусловливается тем, что свободный барий, образующийся при окончательном активировании, является актив­

* Токонесущими называются электроды, которые в процессе тренировки или эксплуатации прибора, подвергаются электронной бомбардировке.

** Степень активировки на откачке должна быть такой, чтобы эмиссия катода до тренировки составляла 40% от максимальной.

324

ным газопоглотителем; он интенсивно связывает остаточные газы и пары, находящиеся в приборе или выделяющиеся из штенгеля прибора при его отпайке от вакуумной системы. Связывание барием остаточных газов приводит к истощению запасов и бесполезному расходованию активного вещества (бария и окисла бария) в като­ де, это, в свою очередь, повышает работу выхода, уменьшает эмис­ сионную способность и долговечность катода, приводит к резкому снижению давления остаточных газов внутри прибора, т. е. давле­ ние в вакуумной системе становится выше, чем давление в приборе. В результате происходит обратная диффузия паров рабочего мас­ ла, воды, углеводородов, галогенов и т. д. из вакуумной системы в прибор и, как следствие, дополнительное отравление катода.

При отравлении катодов остаточными газами происходят сле­ дующие явления:

уменьшается концентрация свободного бария (химическое вза­ имодействие бария с остаточными газами);

изменяется химический состав керна; увеличивается сопротивление промежуточного слоя между кер­

ном и оксидным покрытием; происходит бомбардировка катода положительными ионами

(и соответственно распыление бария); возникают разряды, утечки и пробои между электродами;

выделяется кислород при электронной бомбадировке стекла и окисленных электродов.

Однако на качество катодов влияет не только количество, но и состав остаточных газов. Наиболее часто отравление катода свя­ зано с наличием таких остаточных газов и паров, как 0 2, С 02, Н20, СО, причем степень отравления хорошо активированного катода убывает в перечисленном ряду от 0 2 к СО. Сильное отравляющее действие на оксидный катод оказывают также галогены, сернистые газы и углеводороды.

Отравление катода хлористыми и фтористыми соединениями

Хлористые и фтористые соединения попадают на детали следую­ щими путями:

при прикосновении к деталям потными руками, так как в ос­ новном компоненте пота — воде (98—99%) растворены хлориды на­ трия (поваренная соль), кальция, а также сульфаты, карбонаты, молочная кислота, мочевина, аминокислоты и другие органические соединения;

при шлифовке катодной керамики с последующей обработкой ее в соляной кислоте;

при варке некоторых сортов стекол (например, бариево-литиево­ го), в которые специально вводят хлористые и фтористые соеди­ нения;

при варке стекла вместе с содой, песком и другими компонен­ тами;

325

из воздуха промышленных предприятий, в котором содержатся, например, пары плавиковой кислоты;

в процессе заварки, вакуумной обработки катода и при работе готового прибора, так как хлористые и фтористые соединения могут мигрировать на катод.

Хлориды и фториды имеют низкую температуру плавления, по­ этому, попав в оксидное покрытие, они приводят к его расплавле­ нию, спеканию и окрашиванию в темные цвета. При этом оксидное

в результате снижается температура катода и уменьшается элек­ тронная эмиссия.

Хлориды способны совершать круговой цикл: от катода к дру­ гим электродам и обратно на катод. При этом они уносят с катода щелочноземельные металлы и переносят их на электроды прибора. Поэтому при наличии в приборе хлористых загрязнений наблюдает­ ся постепенное ухудшение электрических параметров, связанное с истощением активного слоя катода, уменьшением запасов в нем свободного бария и появлением утечек и пробоев. Хлорсодержащие и фторсодержащие соединения взаимодействуют как с активирован­ ными, так и с неактивированными катодами. Поэтому разогрев до высоких температур (^450° С) стеклянных колб, содержащих хло­ ристые и фтористые соединения, может вызвать отравление катода (например, на операциях «заварка ножки в колбу», «вакуумная об­ работка прибора»).

Механизм этого процесса следующий.

При высокой температуре стеклянной оболочки на операции «заварка» или «откачка» хлористое загрязнение взаимодействует со стеклом

температуру плавления.— они являются плавнями, которые вызы­ вают расплавление и спекание оксидного покрытия при рабочих температурах катода и приводят к ухудшению эмиссии катода.

Отравление катода при работе прибора связано с тем, что под действием электронной бомбардировки электродов, покрытых плен­ ками хлорсодержащих загрязнений (например, пленкой хлорида бария), выделяется свободный хлор (или фтор), который вступает в реакцию с оксидным покрытием катода, что приводит к образова­ нию в катоде дополнительного количества легкоплавких хлоридов (или фторидов), расплавлению и спеканию оксидного слоя.

326

Для предупреждения отравления катодов хлористыми и фтори­ стыми соединениями рекомендуются следующие способы:

1.Прогрев катода, деталей и оболочки прибора в процессе ва­ куумной обработки с использованием «совмещенного» режима от­ качки. Хлориды и фториды имеют высокую летучесть и поэтому легко испаряются с деталей и откачиваются.

2.Промывка собранных ножек приборов в дистиллированной

воде и спирте.

3. Окислительный отжиг катодной керамики в воздушной атмос­ фере при t= 1200° С с выдержкой при этой температуре не менее

2 ч.

Стекло, в которое вваривается ножка прибора на операции «за­ варка», не должно содержать хлористых и фтористых загрязнений (например, стекло С88-1 содержит значительное количество фтори­ стых соединений, достаточное для «отравления» катода на опера­ ции «заварка ножки»). Во всех случаях следует подбирать опти­ мальные режимы отжига заваренных колб и обезгаживания стеклооболочек в процессе вакуумной обработки прибора, при которых максимальная температура стекла не превышает 450° С.

Следует учесть, что в катодах, отравленных хлором, можно вос­ становить прежнюю величину эмиссии. Для этого необходимо про­ калить катоды при температурах выше рабочей температуры като­ да и соответственно выпарить нз оксидного покрытия хлористые соединения.

Отравление катода сернистыми соединениями

Сернистые загрязнения могут попадать на детали электроваку­ умного прибора:

1)при обработке деталей и оболочки приборов моющими жидко­ стями (например, четыреххлористым углеродом),.водой, смазочны­ ми маслами и эмульсиями;

2)при сгорании топливных газов (топливные газы обычно со­ держат примеси сернистого газа и сероводорода. Детали, извлечен­ ные из ламп, катоды которых «отравлены» сернистыми соединения­ ми, пахнут сероводородом);

3)при сорбции сернистого газа из воздуха промышленных пред­ приятий (наибольшей сорбционной способностью обладают такие

пористые материалы, как магнезированная слюда, стекло, карбо­ натное покрытие);

4) при электролитических процессах (например, при электроли­ тической очистке), когда электролиты содержат примеси сернистых соединений.

Сернистые соединения, попадая на катод, вызывают потемнение оксидного слоя, повышение его теплоизлучения, уменьшение темпе­ ратуры и эмиссии катода.

Газообразные соединения и пары серы непосредственно реаги­

327

руют со свободным барием (наподобие кислорода) — это приводит к истощению оксидного слоя и уменьшению срока службы катода.

Отравление катода углеводородами

Жировые, масляные и другие углеводородные загрязнения попа­ дают на детали в следующих случаях:

1)при контакте деталей со смазочными материалами (в процес­ се их механической обработки), с инструментом, сборочными при­ способлениями, оправками, переносной тарой;

2)при обдувке деталей и оболочек приборов сетевым воздухом, содержащим масляный туман;

3)при использовании для обработки деталей воздуха высокого давления, содержащего пары масла от компрессора (например, при нанесении покрытий методом пульверизации, мойке стеклооболочек на полуавтоматах, в которых плавиковая кислота подается в колбу под давлением сжатого воздуха, при воздушной сушке покрытий);

4)при сорбции деталями углеводородистых загрязнений из за­

грязненного атмосферного воздуха — в процессе хранения деталей

иизготовления прибора;

5)при откачке воздуха из приборов насосами, в которых рабо­ чей жидкостью является масло (в вакуумных системах с масляны­ ми насосами всегда имеется значительное количество углеводород­ ных загрязнений);

6)при применении карбонизированных деталей.

Пары рабочих масел насосов — сложные многоатомные углево­ дороды — сами не вступают в реакцию с материалом катода и не отравляют его. Однако при изготовлении или работе прибора они разлагаются на более простые вещества, такие, как СО, С 02, Н20, С, которые и вызывают отравление катода. Особенно опасно отло­ жение на катоде углйрода — это приводит к потемнению оксидного покрытия, повышению его излучательной способности и снижению температуры.

При электронной бомбардировке деталей, покрытых углеводо­ родными пленками, последние разлагаются на элементарные газы, причем из одной молекулы углеводородов образуется сразу несколь­ ко молекул других газов (СН4, С 02, СО, Н2) . Это приводит к рез­ кому повышению давления остаточных газов в приборе, появлению в объеме прибора большого количества положительных ионов., бом­ бардирующих катод, и к другим нежелательным процессам.

Замечено, что при увеличении парциального давления СО в ки­ нескопах выше 3- ІО-7 мм рт. ст. резко уменьшается ток луча — это связано с появлением черного налета в центральной части катода. При увеличении давления до ІО-5 мм рт. ст. оксидное покрытие под действием ионной бомбардировки разрушается.

Во всех случаях восстановить эмиссию катодов, отравленных углеводородами, не удается.

328

ном, на холодные детали. Это явление называется термофорезом. Поэтому загрязнение пылью может, в частности, происходить в во­ дородных печах, в сушильных шкафах или при освещении деталей на рабочих столах мощными лампами накаливания (в этом случае пыль будет двигаться от нагретых стенок печей или ламп к дета­ лям) .

Трудность очистки деталей от пыли возрастает по мере загрязне­ ния поверхности детали и появления на ней водяной пленки. Влаж­ ная поверхность детали является пылеуловителем.

При производстве и эксплуатации электровакуумных приборов имеет место термическое распыление материала деталей и покры­ тий, подвергаемых нагреву во время откачки и тренировки прибора (константан, железо, никель, антнэмиссионные покрытия сеток и т. д.). После распыления эти материалы могут осесть на оксидном катоде — это приводит к снижению эмиссии и усилению шумов (в связи с неравномерностью эмиссии на различных участках отрав­ ленного катода).

Для подавления эмиссии сеток ПУЛ производят золочение. Од­ нако при нагреве, электронной и ионной бомбардировке сеток золо­ то может распыляться и попадать на катод и слюду. Это вызывает появление эмиссионных браков, шумов, межэлектродной проводи­ мости. Поэтому в последнее время вместо золочения рекомендуется покрывать сетки титаном (испарения титана практически на наблю­ дается).

§ 101. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОКСИДНОГО КАТОДА НА ЕГО ЭМИССИЮ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

Режим работы катода определяется температурой катода, на­ пряженностью электрического поля у катода, продолжительностью отбора тока с катода (непрерывный или импульсный режим рабо­ ты), частотой включения и выключения напряжения накала (при работе прибора в условиях прерывистого режима накала — ПРИ).

Чем меньше рабочая температура катода, тем больше его долго­ вечность. При повышении рабочей температуры помимо интенсив­ ного испарения активного вещества катода оксидное покрытие постепенно разрыхляется и осыпается (особенно при вибрации и со­ трясении прибора). В частности, специализированные катодно-мо­ дуляторные узлы для кинескопов типа КУУК (материал керна — сплав НИВО, покрытие — трехкарбонатное), имеющие высокую ра­ бочую температуру порядка 840° С, характеризуются значительным процентом брака по растрескиванию и осыпанию покрытия; в като­ дах с низкой рабочей температурой ^780°С (материал керна — никель марки НИКА, покрытие — бикарбонатное) растрескивания и осыпания оксидного слоя не наблюдается.

Количество электронов, вылетающих в единицу времени из дан­ ного оксидного катода, зависит только от температуры катода. Од­

330

нако не все электроны, которые вылетают из катода, достигают анода (или других электродов, находящихся под положительным относительно катода потенциалом).

Пространственный заряд снижает напряженность поля в прикатодной области и ограничивает отбор тока с катода. Поэтому рабо­ чим режимом оксидного катода является режим работы при нали­ чии отрицательного пространственного заряда в прикатодной обла­ сти (режим пространственного заряда). Работа в режиме прост­ ранственного заряда обеспечивает высокую долговечность и ста­ бильность катода.

По мере увеличения анодного напряжения все большее количе­ ство электронов, вылетающих с катода, получает достаточно энер­ гии для достижения анода, что приводит к постепенному уменьше­ нию («рассасыванию») пространственного заряда и соответственно к увеличению анодного тока. При некоторой величине анодного на­ пряжения все электроны, испускаемые катодом, будут достигать анода — в этом случае пространственный заряд у поверхности ка­ тода будет отсутствовать и ток анода будет равен току эмиссии. Такой режим работы катода называется режимом насыщения. В ре­ жиме насыщения ввиду отсутствия пространственного заряда ток анода, так же как и ток эмиссии, зависит только от температуры катода и не увеличивается при дальнейшем повышении анодного напряжения.

При работе в режиме насыщения ввиду отсутствия пространст­ венного заряда катод испытывает сильные перегрузки как под дей­ ствием резкого повышения плотности тока, так и под действием сил электрического поля, разрушающих оксидное покрытие. Эти пере­ грузки резко снижают долговечность катода, поэтому работа като­ да в режиме насыщения не рекомендуется.

При постоянном анодном напряжении режим насыщения насту­ пает по мере снижения температуры катода или под действием лю­ бых других факторов, уменьшающих количество электронов, кото­ рое испускается катодом в единицу времени (например, при частич­ ном отравлении катода).

На практике работа катода в режиме насыщения и соответст­ венно постепенное разрушение оксидного слоя имеет место:

при уменьшении тока накала в случае нестабилизированного напряжения накала или увеличенного сопротивления подогревателя (например, изменение напряжения накала на 10% от номинального значения приводит к изменению температуры катода на 60°С);

при охлаждении концов катодов прямого накала («холодные концы») за счет теплоотвода и падения напряжения по длине ка­ тодных нитей;

при включении высоких анодных напряжений раньше, чем про­ изошел нагрев катода до рабочей температуры;

при сильной шероховатости оксидного покрытия — у выступов покрытия образуются высокие напряженности поля, приводящие к разрушению оксидного слоя;

при испытании на долговечность и эксплуатации прибора в ре­ зультате снижения эмиссии.

Во всех вышеперечисленных случаях разрушение оксидного по­ крытия можно предотвратить снижением анодного напряжения или повышением температуры катода.

Долговечность оксидных катодов резко зависит от их рабочей температуры. Например, при одинаковой плотности тока эмиссии долговечность магнетронов при температуре катода 850° С состав­ ляет всего 1000 ч; при ^=750° С — 1500 ч. Оптимальная рабочая температура ламп со сроком службы 50 000 ч не должна превышать

680° С.

В последнее время электровакуумные приборы подвергают испы­ таниям на долговечность работы в так называемом прерывистом ре­ жиме накала (ПРН). При работе прибора в этом режиме периоди­ чески производится включение и выключение тока накала (обычно около 10 000 раз). •

Режим ПРН является наиболее близким к условиям реальной

практической работы электровакуумной аппаратуры. Долговечность катода в режиме ПРН меньше, чем при непре­

рывном режиме токоотбора с катода. Это обусловливается следую­ щими факторами:

1) различием термических коэффициентов линейного расширения никелевого керна и оксидного покрытия (в процессе нагрева и ох­ лаждения материалов катода, т. е. при включениях и выключениях тока накала происходит расширение и сжатие никелевого керна и оксидного слоя на разную величину — это может привести к от­ липанию и отслоению оксидного покрытия);

2)усадкой и растрескиванием оксидного слоя;

3)увеличением продолжительности пребывания катода при по­ ниженных температурах (т. е. при температурах ниже рабочей тем­ пературы) ввиду периодического выключения тока накала (это спо­ собствует отравлению катода в процессе его охлаждения как в ре­ зультате насыщения, так и под действием сорбции активных, агрес­

сивных газов и паров).

Иногда вместо выключения прибора снижают накал катода на 30—40% от номинального значения без подачи напряжения на дру­ гие электроды и поддерживают катод в подогретом состоянии в те­ чение всего нерабочего периода. Этот недонакальный режим приня­ то называть дежурным режимом работы прибора. Применение де­ журного .режима позволяет сократить время, необходимое для разогрева катода до рабочей температуры и пуска прибора в рабо­ ту. Однако ввиду того, что температура катода в дежурном режи­ ме значительно меньше рабочей температуры, увеличивается опас­ ность отравления катода остаточными газами.

Во всех случаях чем выше вакуум в приборе, тем меньше опас­ ность отравления катода при его работе в недонакальном режиме с пониженной температурой (в частности, при использовании «де­ журного» режима).

332