.2…Материалы, применяемые в производстве электровакуумных приборов

Конструкция, электрические параметры и эксплуатационные характеристики электровакуумных приборов во многом определяются материалами, используемыми при его изготовлении. В производстве электровакуумных приборов широко применяются как диэлектрические материалы, запрещенная зона которых настолько велика, что электронной проводимости не наблюдается, так и проводящие материалы, электронная зона которых вплотную прилегает или даже перекрывается зоной свободных энергетических уровней.

У металлов проводящее состояние является нормальным (расстояние между энергетическими уровнями около 10^–22 эВ, а энергия, приобретаемая электром на длине свободного пробега под влиянием электрического поля, около 10^–8…10^–4 эВ), а у диэлектриков и полупроводников оно является возбужденным, требующим затраты дополнительной энергии извне на переход электронов через запрещенную зону.

Таким образом, металлы относятся к химическим веществам, характеризующимся способностью отдавать внешние (валентные) электроны, слабо связанные с атомом. В свободном состоянии металлы обладают высокой электропроводностью и хорошей теплопроводностью, обуславливаемые легкостью перемещения валентных электронов, переносящих энергию из одного места металла в другое. Такие свойства металлов, как эмиссионная способность, излучение теплоты нагретым телом, изменение внутренней структуры при нагреве, вакуумные свойства и некоторые другие определяют возможность использования того или иного металла для производства электровакуумных приборов.

Для современной радиоэлектроники наряду с металлами важное значение имеют и керамические диэлектрики, которым присущи многие положительные свойства: высокая нагревостойость, хорошие электрические характеристики при высокой механической прочности, стабильность характеристик и надежность в широком интервале температур, высокая химическая стойкость к воздействию излучений высокой энергии, малое газопоглощение и легкая обезгаживаемость. Преимуществом керамики является возможность получения заранее заданных характеристик путем изменения состава массы и технологии производства.

Особенно значение керамика приобрела при создании генераторных и усилительных приборов СВЧ большой мощности: сотни киловатт непрерывной и мегаватты импульсной мощности на частотах до 3000 МГц.

2.1. Тугоплавкие металлы и сплавы

Тугоплавкие металлы: молибден, вольфрам, тантал, ниобий и сплавы на их основе отличаются высокой температурой плавления (выше 2400 °С), низкой скоростью испарения, преимущественно объемно-центрированной кубической решеткой, химической стойкостью и высоким значением механической прочности. Последнее качество обеспечивает тугоплавким металлам лучшую формоустойчивость при значительных тепловых нагрузках. Наиболее широкое применение нашли вольфрам и молибден, у которых имеется один предпоследний уровень d, заполненный наполовину при общем числе валентных электронов, равном шести. При переходе от молибдена к вольфраму наблюдается уплотнение электронных оболочек атомов.

Обладая шестью валентными электронами, в химических соединениях металлы выступают с переменной валентностью: от нуля до шести. В шестивалентном состоянии все внешние электроны атомов участвуют в химической связи, и не остается неспаренных электронов, поэтому образующиеся соединения диамагнитны.

Для тантала и ниобия общим является большое значение удельного сопротивления (почти в три раза выше, чем у вольфрама) и сравнительно малая работа выхода. Тем не менее тантал и ниобий находят ограниченное применение в качестве эмитирующих материалов из-за исключительной активности этих металлов к кислороду. По своим химическим свойствам металлы близки к благородным металлам. Особенностью металлов является их взаимодействие с водородом. Уже при 100 °С тантал образует гидрид ТаН₅, дальнейший нагрев делает металл настолько хрупким, что он способен рассыпаться в порошок. Ниобий также сорбирует водород и становится хрупким. Возможность образовывать соединения, обладающие значительной хрупкостью, исключает возможность применять обработку этих металлов и их сплавов в атмосфере водорода.

Т а б л и ц а 2.1

Свойства молибдена и вольфрама

Параметр	Mo (Molybdаemum)	W (Wolframium)
Атомный номер	42	74
Атомная масса	95.95	183.92
Валентные электроны	4d55s1	5d46s2
Плотность, кг/м³	10280	19300
Температура плавления, °С	2625	3380
Температура кипения, °С	4527	6690
Максимальная рабочая температура в вакууме, °С	1700	2560
Скорость испарения, г/(см2·с)	1.1·10–10 (1800 °С) 5·10–7 (2300 °С)	3.17·10–8 (2427 °С)
Теплопроводность, Вт/(м·К)	160 (20 °С) 110 (1473 °С)	130 (20 °С) 117 (827 °С)
Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К)	260 (100 °С) 335 (1400 °С)	142 (18 °С) 180 (1400 °С)
Электроотрицательность	1.8	1.7
Металлический атомный радиус, Å	1.360	1.366
1-й ионизационный потенциал, эВ	7.10	7.98
Мощность излучаемой энергии, Вт/см2	0.55 (730 °С) 6.3 (1330 °С)	0.9 (880 °С) 64 (2200 °С)
Работа выхода, эВ	4.27	4.54
Плотность тока электронной эмиссии, мА/см2	1·10–9 (1000 °С) 8.3·10–1 (1630 °С)	1.5·10–10 (830 °С) 298 (2230 °С)