§102. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КАТОДОВ
ВЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫХ
ТРУБКАХ
В электроннолучевых трубках (ЭЛТ) катод работает в жестких условиях.
Между электродами ЭЛТ, в частности между катодом и анодом, поддерживается высокая разность потенциалов. Поэтому положи тельные ионы, образующиеся в объеме прибора при ионизации остаточного газа, разгоняются до высоких скоростей, интенсивно бомбардируют центральный участок катода * и могут разрушить оксидное покрытие.
ВЭЛТ (в отличие от приборов, не имеющих модулятора) пло щадь рабочей поверхности катодѣ, с которой в данный момент от бирается ток эмиссии, зависит от разности потенциалов между мо дулятором и катодом**. По мере снижения отрицательного смеще ния на модуляторе рабочая поверхность катода увеличивается. При нулевой разности потенциалов между модулятором и катодом рабо чая поверхность катода становится приблизительно равной диамет ру отверстия в модуляторе. При положительном потенциале на мо дуляторе рабочей поверхностью катода становится вся площадь оксидного покрытия.
Вреальных условиях эксплуатации ЭЛТ на модуляторе поддер живается большое отрицательное смещение относительно като да***, при этом ток отбирается только с небольшого центрального участка оксидного покрытия, расположенного против центра отвер стия диафрагмы модулятора. Поэтому даже при небольшой величи не тока его плотность в центре катода может оказаться очень высо кой, что вызывает истощение активного вещества и быструю потерю эмиссионной способности на центральномучастке оксидного по крытия.
Быстрое истощение центра оксидного покрытия усугубляется тем, что в ЭЛТ плотность тока неравномерно распределена по эмиттирующей рабочей поверхности катода. Это связано с тем, что око ло различных участков катода действует различное по величине электрическое поле, создаваемое электронно-оптической системой ЭЛТ. Средняя плотность тока по рабочей поверхности катода со ставляет всего 0,4 от максимальной плотности, приходящейся на
центр окисидного покрытия.
В готовой ЭЛТ нельзя судить о качестве катода и его эмиссион ной способности только по величине максимального тока, который практически можно получить с катода (при нуле на модуляторе). Максимальный ток катода в ЭЛТ зависит не только от его темпера туры, но и от расстояния между катодом и модулятором и конструкции электронно-оптической системы. Для характеристики эмиссион
*Ионы фокусируются в центр катода.
**На модулятор подается отрицательный потенциал относительно катода. Ве личина разности потенциалов между модулятором и катодом обычно называется
отрицательным смещением на модуляторе.
*** Это обеспечивает, в частности, высокую разрешающую способность.
ной способности катода вне зависимости от геометрии электроино оптической системы служит параметр, называемый коэффициентом качества катода,
где М — коэффициент качества катода; /ко — ток с катода при нуле на модуляторе; U3— запирающее напряжение (т. е. отрицательный потенциал на модуляторе относительно катода, достаточный для то го, чтобы запереть электроны и не пропустить их на экран).
В этой формуле величина запирающего напряжения учитывает влияние геометрии электронно-оптической системы на максималь ную величину тока, который можно отобрать с катода при нуле иа модуляторе. Например, при одной и той же эмиссионной способно сти катода он будет давать тем больший ток при нуле иа модуля торе, чем больше величина запирающего напряжения в данном при боре (т. е. чем меньше расстояние между катодом и модулятором или чем больше диаметр отверстия и меньше толщина диафрагмы модулятора).
Следует учесть, что большая величина коэффициента качества не всегда гарантирует высокую надежность и долговечность като дов. Например, катод с отравленным или разрушенным центром (в результате бомбардировки положительными ионами при пло хом вакууме в приборе), но с высокой эмиссией иа остальных уча стках оксидного покрытия может иметь большую величину коэффи циента качества. Это связано с тем, что коэффициент качества оце нивает суммарную эмиссионную способность всей площади катода, равной диаметру отверстия в диафрагме, а рабочей поверхностью при эксплуатации прибора обычно является только центр катода.
На люминесцентном экране электроннолучевых трубок, которые не имеют диафрагм, срезающих электронный луч, можно получить увеличенное электронное изображение рабочей поверхности оксид ного покрытия в процессе эмиссии с нее электронов. По электронно му изображению катода можно осуществлять качественный кон троль эмиссионной способности различных участков оксидного покрытия.
Участки оксидного покрытия, на которых отсутствует эмиссия электронов (например, при отравлении активного вещества или частичного осыпания оксидного слоя), выглядят на изображении катода темными пятнаіми; участки оксидного покрытия с хорошей эмиссией образуют на изображении катода равномерно яркую по верхность (рис. 169).
Для получения на экране изображения катода надо отключить развертку луча и подобрать соответствующие напряжения на моду ляторе и ускоряющем электроде.
Кроме этого, в трубках с магнитной фокусировкой выключается фокусирующая катушка; в трубках с электростатической фокуси ровкой уменьшается разность потенциалов между анодом и фокуси рующим электродом (т. е. между 2-м и 1-м анодом). При достаточ
но высоком потенциале ускоряющего электрода можно получить 50—100-кратное увеличенное электронное изображение катода.
На практике применяют также методы контроля качества като дов путем сравнения их эмиссии при номинальном накале и в нело кальном 'режиме. Например, измеряется ток с катода при напряже ниях накала б, 3 и 5 в. При этом чем меньше процент снижения тока с катода при снижении напряжения накала, тем выше его ка чество.
Рис. 169. Разрушение оксидного покрытия катодов под дейст вием ионной бомбардировки:
а — визуальная картина катода, вырезанного из прибора, б — эмиссион ное изображение катода
Контрольные вопросы
1. Какие основные параметры и характеристики катодов вы знаете?
2.Что представляет собой оксидный катод в готовом приборе?
3.Какие процессы происходят при обезгаживании катода?
4.Какие процессы происходят при активировании катода?
5.Что влияет на снижение эмиссии оксидных катодов?
6.Каковы особенности работы катодов в условиях прерывистого режима на кала (ПРН)?
Г л а в а XVIII |
ОБЕЗГАЖИВАНИЕ |
|
И РАСПЫЛЕНИЕ |
|
ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЕЙ |
§ 103. НАЗНАЧЕНИЕ И"ПРИНЦИП РАБОТЫ РАСПЫЛЯЕМОГО ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЯ
Газопоглотитель повышает иа полтора-два порядка вакуум
в приборе (путем дополнительного поглощения |
остаточных газов |
и паров, не откаченных вакуумной установкой) |
и создает условия |
для поддержания высокого и стабильного вакуума в течение всего срока службы изделия (путем поглощения газов и паров, выделяю щихся из деталей и стеклооболочки при хранении, тренировке, испы таниях и эксплуатации прибора).
Основное требование к газопоглотителю в готовом отпаянном приборе: в каждый данный момент времени скорость газопоглощения должна превышать скорость суммарного газсвыделения всех деталей и оболочки прибора.
Активным газопоглощающим веществом в большинстве распы ляемых газопоглотителей служит барий. Однако изготовлять газо поглотитель из одного бария практически невозможно: барий мгно венно окисляется на воздухе и теряет газопоглощающую способ ность в процессе монтажа его в прибор.
Применяют три метода защиты бария от действия окружающей атмосферы.
1. Свободный чистый барий помещают в герметичную металли ческую оболочку из железа, никеля или меди (например, газопогло титель «Феба» — барий в железной оболочке).
2. Газопоглотитель изготовляют в виде сплава бария с алюми нием — газопоглотитель «Альба». Алюминий образует пассивирую щую оксидную пленку, которая не пропускает газы и пары из ат мосферы в толщу сплава и защищает барий от внешнего воздейст вия. Недостатками газопоглотителя «Альба» являются высокая температура распыления и возможность загрязнения бариевого зеркала алюминием. Поэтому наибольшее 'распространение полу чили газопоглотители «Бати» и «Альбани», в которых к сплаву «Альба» добавляют порошки титана или никеля. Титан или никель в процессе распыления бария вступают в химическое взаимодейст вие с алюминием, сопровождающееся большим выделением тепла. Это предотвращает распыление алюминия вместе с барием и умень шает количество тепла, которое необходимо извне сообщить газо поглотителю для его распыления.
3. Применяют химическое соединение, которое в процессе разло жения при нагреве в вакууме образует свободный барий, например газопоглотитель «Берилат бария».
В готовом приборе распыленный газопоглотитель — «зеркало газопоглотителя» представляет собой тонкий слой бария, нанесен ный на деталь или внутреннюю поверхность оболочки прибора.
Зеркало газопоглотителя получают в несколько стадий: тща тельно обезгаживают газопоглотитель и металлическую оболочку (контейнер), в которую он помещен.
Оболочку с газопоглотителем нагревают до температуры, при ко торой образуются пары металлического бария (т. е. происходит возгонка бария).
Пары бария направленно распыляют на определенный участок прибора (например, на стеклянный купол, горловину стеклооболоч ки, алюминированный экран в ЭЛТ и т. д.). Пары бария, конденси руясь на поверхности деталей или стеклооболочки, образуют пори стую рыхлую пленку, обладающую большой газопоглощающей спо собностью.
Газы и пары поглощаются распыляемым газопоглотителем в ос новном на двух этапах технологического процесса:
1) в момент распыления газопоглотителя, т. е. при образовании паров бария (в парообразном состоянии барий обладает огромной химической активностью и большой сорбционной способностью по отношению почти ко-всем остаточным газам и парам);
2) после образования-зеркала бария (путем адсорбции, абсорб ции и хемосорбции газов и паров, выделяющихся из деталей прибо ра). Наиболее интенсивно зеркало бария поглощает ионизирован ные и диссоциированные газы и пары, образующиеся при трениров ке * прибора. Газ в атомарном состоянии и в виде ионов прочнее связывается газопоглотителем за счет наличия электрических сил сцепления. Кроме того, ионы легче вступают в химическую реакцию с зеркалом газопоглотителя, чем нейтральные атомы.
Превращение нейтральных молекул в атомы и ионы с последую щим интенсивным поглощением их зеркалом газопоглотителя (и соответственно повышением вакуума в приборе) принято назы вать жестчением остаточных газов.
Зеркало бария должно по возможности располагаться там, где происходит наибольшая диссоциация и ионизация молекул остаточ ного газа. Ионизация имеет место на путях движения электронов в приборе, т. е. внутри электродной системы прибора, поэтому наиболее эффективным было бы расположение зеркала бария внут ри системы электродов. К сожалению, ввиду технологических труд ностей зеркало газопоглотителя обычно располагается вне элек тродной системы — это приводит к тому, что на пути к зеркалу ионы бария многократно сталкиваются с препятствиями (например, степками оболочки, деталями арматуры прибора), снова превра щаются в нейтральные молекулы и соответственно хуже погло щаются газопоглотителем.
Характерно, что чем меньше фокусировка электронных лучей при тренировке и прогоне приборов, тем эффективнее процесс жестчения.
* При подаче напряжений на электроды прибора и наличии накаленного ка тода и потока электронов.
§104. ТЕХНОЛОГИЯ ОБЕЗГАЖИВАНИЯ
ИРАСПЫЛЕНИЯ
ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЯ
Оптимальная температура обезгаживания зависит от состава газопоглотителя. Оптимальное время обезгаживания определяется размерами и геометрией подложки и количеством в ней газопогло тителя.
Обезгаживание газопоглотителя рекомендуется производить при температуре, которая на 50—70° С ниже температуры его рас пыления *. Обезгаживание обычно осуществляется до полного уда ления газов и паров из материала газопоглотителя и оболочки, в которую он заключен. В процессе обезгаживания давление в прибо ре резко возрастает**. К концу процеса обезгаживания давление в приборе должно снизиться до величины, которую оно имело к на чалу обезгаживания газопоглотителя — это является признаком полного обезгаживания.
Недостаточное предварительное обезгаживание газопоглотителя приводит к выделению газов и паров из газопоглотителя непосред ственно при его распылении. Это может вызвать явления, умень шающие долговечность работы прибора:
отравление частично проактивированного катода газами и пара ми, выделяющимися непосредственно из газопоглотителя;
уменьшение запаса активного бария в зеркале газопоглотителя, так как недостаточно обезгаженный газопоглотитель при распыле ния частично работает «сам на себя» (т.е.поглощает выделяющиеся из него газы);
ухудшение структуры, состава и газопоглощающих свойств зер кала бария, что обусловливается окислением паров бария газами, выделяющимися при распылении газопоглотителя.
Распыление газопоглотителя можно производить как до отпай ки прибора с откачной установки, так и после отпайки.
Преимущества распыления газопоглотителя до отпайки прибора состоят в следующем. Газы и пары, выделяющиеся из штенгеля при отпайке прибора, поглощаются ранее распыленным газопоглотите лем и не могут резко повысить давление в откаченном приборе и от равить катод. Газопоглотитель распыляется при непрерывной от качке выделяющихся из него газов и паров — тем самым он не ра-- ботает по принципу «сам на себя» (т. е. предотвращается бесполез ное расходование активного вещества газопоглотителя на поглоще ние выделяющихся из него и его оболочки газов).
К недостаткам распыления газопоглотителя до отпайки прибора относится то, что в момент распыления газопоглотителя давление остаточных газов в приборе становится меньше давления остаточ
* Оптимальная температура обезгаживания газопоглотителя «Батн» — 750—800° С, «Альбани» — 650—700° С, «Феба» — 750° С.
** Для предотвращения резкого повышения давления в приборе рекомендует ся поднимать температуру ступенчато (т. е. регулировать температурный режим обезгаживания по изменению давления в приборе).
ных газов в вакуумной системе — это приводит к обратной диффу зии вредных активных газов и паров (хлора, фтора, углеводородов и т. д.) из вакуумных трубопроводов в прибор. Кроме того, значи тельная доля активного бариевого зеркала расходуется на поглоще ние газов и паров, которые должны откачиваться вакуумной систе мой *. Таким образом запас активного бария истощается, умень шается работоспособность газопоглощающего зеркала и повышает ся давление при эксплуатации прибора.
Ввиду указанных недостатков распыление газопоглотителя на практике обычно производится после спаивания прибора с откач ной системы.
Иногда распыление газопоглотителя производят в несколько этапов: в конце откачки, после откачки и во время тренировки.
В последнее время рекомендуется распыление геттера прово дить во время тренировки прибора. В этом случае на все электроды подаются постоянные напряжения (через специальные буферные сопротивления, предупреждающие возникновение разряда в лам пе). Происходит отбор тока с катода (в 3—4 раза превышающий номинальное значение) и интенсивная бомбардировка электродов. При этом газы, выделяемые электродами, поглощаются газопогло тителем непосредственно в процессе его распыления. ' Это резко улучшает вакуум и срок службы катода.
Газопоглотители (в зависимости от их конструкции и конструк ции прибора) могут нагреваться токами высокой частоты — вихре выми токами или токами Фуко (возбуждаемыми в оболочке газо поглотителя с помощью катушки высокой частоты) и постоянным или переменным током, пропускаемым непосредственно через обо лочку газопоглотителя.
Выходом бария принято называть количество чистого свобод ного бария, которое образуется в газопоглощающем зеркале при распылении газопоглотителя. Выход бария зависит не только от состава и содержания бария в газопоглотителе, но и от температу ры, скорости и продолжительности его распыления.
Температура предварительного обезгаживания и распыления га зопоглотителя должна быть в пределах норм, указанных в техниче ских условиях на данный газопоглотитель.
В зависимости от состава газопоглотителей распыление свобод ного бария начинается при разных температурах **. Например, реак ция распыления бария из состава «Альбани» (Ва — 27,5%, А1 — 24,5%, Ni — 46%, примеси Fe, Ti, Mg, Mn — 2%) начинается при температуре порядка 720°С; из состава «Бати» (Ва — 26%, А1 —
14%, Ті — 60% )— при 830° С, |
из состава «Альба» (Ва — 50%, |
А1 — 50 %) — 1050—1150° С. ' |
|
. * Особенно вредны углеводороды |
(пары рабочих масел), которые отравляют |
бариевое зеркало.
** Следует учесть, что с увеличением содержания алюминия в сплаве улуч шается его устойчивость против окисления и атмосферного воздействия, но повы шается температура распыления газопоглотителя.
Для понижения температуры распыления «Бати» в него иногда добавляют окись железа, которая вступает в экзотермическую реак цию с алюминием, однако при этом увеличивается вероятность осы пания продуктов реакции и появления в приборе посторонних тел.
Реакция получения бария из составов типа «Альбани» и «Бати» является экзотермической, так как протекает с выделением тепла. После достижения температуры 720—820° С происходит даль нейший самопроизвольный мгновенный разогрев газопоглотителя до г!=1200°С в результате выделяющейся внутри газопоглотителя тепловой энергии
ВаА14 4- 4Ni -> 4NiAl -j- Ва -f Q
(тепло)
Поэтому для характеристики продолжительности распыления газопоглотителя, необходимой дляполучения требуемого выхода барияхдірименяют две величины: общее время распыления Госщ — время от начала разогрева газопоглотителя до окончания распыле ния (т. е. время от начала до конца приложения к газопоглотителю
энергии от катушки высокой частоты) |
и начальное время распыле |
ния |
Тиач — время от начала разогрева |
газопоглотителя до начала |
его |
пыления. |
|
Скорость и продолжительность разогрева газопоглотителя до заданной температуры зависит от многих факторов: конструкции
игабаритов контура газопоглотителя, теплопроводности, теплоем кости и электрического сопротивления материала оболочки и актив ного вещества газопоглотителя, расстояния и расположения высо кочастотной катушки относительно контура газопоглотителя, силы
ичастоты тока *, числа ампер-витков, степени вакуума и быстроты откачки, экранирования контура газопоглотителя от поля высоко частотной катушки внешними проводящими покрытиями и деталя ми внутренней арматуры и т. д. Многие из этих факторов опреде ляются качеством выполнения предыдущих сборочных технологиче-
~ских операций:
ориентировкой и соосностью расположения рамок с газопогло тителями на операциях монтажа арматуры;
ориентировкой и соосностью арматуры прибора относительно стенок стеклооболочки при заварке ножки прибора в колбу;
кривизной штенгеля относительно тарелочки ножки и располо жением оси арматуры прибора относительно катушек высокой ча стоты на полуавтоматах вакуумной обработки.
Скорость и продолжительность распыления газопоглотителя ока зывают значительное влияние на газопоглощающую способность бариевого зеркала. Время распыления должно быть по возможно сти коротким.
При большой скорости распыления над газопоглотителем соз дается высокое давление паров бария (до нескольких десятков миллиметров ртутного столба), при этом частицы бария соединяют
* Для распыления газопоглотителя рекомендуется применять токи с часто той ~ 40 кгц.
ся одна с другой и образуют крупные капли, которые после конден сации имеют рыхлую структуру зеркала с большой газопоглощаю щей способностью. Однако при слишком быстром разогреве газо поглотителя металл подложки и контур газопоглотителя может рас пыляться (особенно, если материал подложки и контура имеет низ кую температуру начала интенсивного распыления). Это приводит к загрязнению бариевого зеркала пленкой непоглощающего мате риала, к окислению бария и напылению металла подложки на изо ляторы прибора.
. Слишком медленное, длительное распыление газопоглотителя также имеет ряд недостатков:
образуются мелкие частицы бария, которые закупоривают (за сеивают) рыхлый слой зеркала, что равносильно спеканию бариево го слоя;
повышается температура и соответственно газовыделение окру жающих газопоглотитель деталей •—■это вызывает окисление и бес полезный расход бария, лучистый перегрев пленки и растрескивание стеклооболочки. При продолжительном нагреве контейнера с газо поглотителем повышается температура стеклянной подложки, что также приводит к спеканию слоя зеркала.
Если внутри высокочастотной катушки поместить ферромагнит ный конденсатор, то резко увеличивается напряженность и направ ленность (локализованность) высокочастотного поля — это позво ляет нагревать газопоглотитель до высокой температуры без вред ного нагрева соседних деталей.
При распылении газопоглотителя следует придерживаться сле дующих правил:
1.В процессе обезгажнвания и распыления газопоглотителя ка тод должен находиться в нагретом состоянии (на подогреватель катода рекомендуется подавать более высокое напряжение накала, чем при работе прибора). Это предотвращает осаждение на катоде газов и паров, выделяющихся из газопоглотителя.
2.Поверхность прибора, на которую распыляется газопоглоти тель, следует предварительно охладить до комнатной температуры. Это связано с тем, что при напылении на горячую подложку части цы бария спекаются между собой в сплошной слой со слабо разви той газопоглощающей поверхностью и плохим сцеплением с под ложкой; кроме того, происходит окисление паров бария и ухудше ние изоляции между электродами ввиду отражения паров бария от подложки.
3.Не рекомендуется получать толстое зеркало бария (оптималь ная толщина зеркала —1,1 мкм, что соответствует нагрузке поряд ка 0,3 мг/см2), так как при комнатной температуре активное газопоглощение происходит только в приповерхностном слое (поэтому газопоглощающая способность не зависит от весового количества бария в зеркале газопоглотителя).
Практически по мере увеличения толщины зеркала повышается температура стеклянной подложки, на которую напыляется барий, и ухудшается структура бариевого зеркала.
4. Оболочка с газопоглотителем должна монтироваться но воз можности дальше от стеклянной подложки, на которую распыляет ся барий — это предотвращает сильный нагрев стекла и увеличи вает поверхность и пористость зеркала.
В кинескопах барий распыляется непосредственно на алюмини рованный экран — это позволит получить большую поверхность га зопоглощающего зеркала. Однако зеркало газопоглотителя на экра не не должно быть толстым, иначе будут иметь место торможение электронного луча, снижение яркости и появление пятнистого свече ния экрана.
5. В процессе распыления газопоглотителя недопустимо перегре вать контур, рамку или подложку газопоглотителя, иначе зеркало газопоглотителя будет загрязнено посторонними материалами.
Практически целесообразно прекращать распыление, когда «*50% бария, содержащегося в газопоглотителе, испарилось с под ложки.
Для того чтобы контур и подложка газопоглотителя нагрева лись значительно меньше самого состава газопоглотителя, они должны иметь соответствующую геометрическую конфигурацию и быть изготовлены из материалов с большим электрическим сопро тивлением, высокой излучающей способностью, высокой темпера турой начала интенсивного испарения и иметь незначительную тол щину и диаметр.
6. Распыление бария должно быть направленным. Направлен ность пыления бария достигается путем создания высокого вакуума в приборе перед распылением газопоглотителя и подбором конст рукции газопоглотителя и его расположения внутри прибора.
Пленки бария при ненаправленном пылении осаждаются на стеклянных, керамических и слюдяных изоляторах, что вызывает межэлектродные пробои и утечки. Пары бария при попадании на изоляторы образуют мостики проводимости, для сжигания которых приходится вводить дополнительную операцию — высоковольтный или высокочастотный прожиг, при этом внутрь прибора выделяется большое количество газов и паров.
В последнее время в некоторых электровакуумных приборах находят применение газопоглотители, которые в процессе изготов ления специально насыщаются определенным количеством инертных газов. При распылении этого газопоглотителя инертные газы выде ляются и давление внутри прибора повышается до величины Ю-1— ІО-3'мм рт. ст. Распыление бария при повышенном давлении вызывает рассеивание потока паров бария, что способствует созда нию рыхлого пористого слоя зеркала газопоглотителя с очень боль шой поглощающей способностью.
§105. СОСТАВ ОСТАТОЧНЫХ ГАЗОВ
ВПРИБОРАХ G БАРИЕВЫМ ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЕМ
Барий поглощает все химически активные газы (хотя и с раз ной скоростью), но не поглощает инертные газы (аргон, неон)
