Роль кристаллитов окислов щелочноземельных металлов в механизме эмиссии металлопористых катодов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

0 Д на правах рукопису

Лушкін Олександр Єгорович

РОЛЬ КРИСТАЛІТІВ ОКИСЛІВ ЛУЖНОЗЕМЕЛЬНИХ МЕТАЛІВ У МЕХАНІЗМІ ЕМІСІЇ МЕТАЛЕВОПОРИСТИХ КАТОДІВ

Спеціальність 01.04.04. — фізична електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1996

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі фізичної електроніки радіофізичного факультету Київського університету ім. Т. Шевченка

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

ШНЮКОВ Вадим Федорович

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук

ПАНЧЕНКО Олег Антонович

Спеціалізованої Ради Д 01.96.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 252022, МСП, Київ-22, проспект Науки, 46.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України.

кандидат фізико-математичних наук, доцент КОВАЛЬ Ігор Пилипович

Провідна організація: Харківський державний

університет

Автореферат розіслано ".

1996 р.

Вчений секретар Спеціалізованої Ради канд.фіз.-мат.наук

В. А. Іщук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність томи. Твердотільна електроніка та прилади, що створені на її основі, все ширше завойовують різноманітні галузі електронної техніки. Тому може скластися враження, що термоелектронні катоди, які є активним елементом електровакуумних приладів (ЕВП), позбавлені майбутнього. Але це не так. Справа в тому, що існує цілий ряд вакуумних приладів, котрі найближчим часом не можуть бути замінені твердо-тільними приладами. В першу чергу це відноситься до потужних ЕВП НВЧ діапазону, що використовуються в передавачах космічного зв'зку та радіолокаційних станціях. Джерела електронів необхідні в мас-спектрометрах, електронних мікроскопах, прискорювачах заряджених частинок, лазерах з електронною накачкою, рентгенівських трубках, гіротронах, в нових типах електронних приладів — в вакуумних інтегральних схемах та в багатьох інших приладах.

Оксидний катод (ОК) - найбільш ефективний та економічний з усіх типів термоелектронних еміттерів. Однак він не може застосовуватися в ряді сучасних розробок, де є необхідним відбір струму густиною в декілька ампер з квадратного сантиметра на протязі десятків та сотень тисяч годин при мінімальному споживанні енергії в колах живлення. Для таких приладів потрібні джерела електронів, що працюють в режимі відбора великого струму (7-10 А'См’2 та більше з обмеженням струму просторовим зарядом) при низькій робочій температурі (не вище 1350 К) та містять помітний запас активної речовини. Із усіх існуючих на даний час типів термокатодів найбільш повно відповідають цим вимогам металевопористі катоди (МПК).

Останнім часом МПК знаходять застосування в електронно-променевих трубках (ЕПТ) високої роздільної здатності, в портативних дисплеях, і дисплеях комп'ютерної графіки. Все це виправдовує ті зусилля, що витрачаються на вивчення фізико-хімічних та емісійних властивостей металевопористих катодів з метою їх вдосконалення. Через те, що для розв'язання питань виготовлення джерел електронів з заданими параметрами необхідно глибоке розуміння фізико-хімічних процесів, які відбу-

ваються на їх поверхні, вивчення МПК стимулює і фундаментальні дослідження з фізики поверхні твердого тіла. Крім того, така властивість МПК, як можливість неодноразового відновлення емісійної здатності після перебування на атмосфері, дозволяє в виробництві ЕПТ спеціального призначення використовувати нові прийоми юстування оптичних систем.

Успіхи в поліпшенні експлуатаційних параметрів металево-пористих катодів за останні 10 років досить помітні. Але все ж на ряд питань однозначної відповіді нема. Наприклад, залишається багато неясного в уявленнях про фізичні процеси, які відбуваються в об’ємі та на поверхні МПК, що потрібно для подальшої оптимізації властивостей катодів; нез'ясованим до кінця є механізм збільшення термоемісії МПК при осадженні на поверхню або додаванні в губку осмія та іридія; існують "білі плями" і в процесі активування металевопористих катодів. Але найбільш важливим є те, що до цього часу не з'ясовано механізм емісії МПК, хоча основні гіпотези про можливий склад емітуючої поверхні МПК були висунуті давно: 1) металево-пористий катод є металоплівковим катодом; 2) за високу активність МПК відповідають тримірні структури активної речовини на поверхні катода; 3) основним джерелом електронів є поверхня пор, що заповнені активною речовиною. В останні роки домінуючими є дві перших точки зору на структуру емітуючого шару металевопористих катодів.

Врахування ускладнень в поясненні ряду експериментальних фактів у прибічників плівкової моделі МПК, а також аналіз вакуумних умов, в яких проводилися ці дослідження, і технологічних параметрів катодів, способів їх виготовлення та підготування до досліджень, показує, що роль кристалітів активної речовини в механізмі емісії МПК необгрунтовано принижена.

Аналіз викладеного матеріалу дозволяє зробити висновок про те, що експериментальне дослідження металевопористих катодів з метою з'ясування механізму їх емісії та, зокрема, для з'ясування ролі кристалітів окислів лужноземельних металів (ЛЗМ) в цьому механізмі є актуальним і виправдовується високою практичною вартістю МПК.

В з'вязку з цим метою даної роботи було з'ясування ролі кристалітів окислів лужноземельних металів у механізмі емісії металевопористих катодів.

Наукова новизна роботи.

1. Показано, що робоча поверхня високоактивного МПК — це тримірні структури окислів ЛЗМ (кристаліти), активовані барієм, які несуть відповідальність за емісію катода, моноатомна плівка Ва-компоненти (Ва-О та Ва) на зернах губки, що є джерелом для підживлення кристалітів активною речовиною, а також надлишковий кисень на зернах губки.

2. Утворення кристалітів та їх існування при робочих температурах катода забезпечується за рахунок окислу барія, отриманого під час імпрегнування губки алюмінатом барія-кальція при виготовленні МПК.

3. Емісійна здатність та випаровування активної речовини металевопористих катодів мають складну залежність від технологічних параметрів губки. Для МПК з Яе-Ш губкою існують такі її параметри (розмір зерен, тиск пресування під час виготовлення), при яких співвідношення між кількістю Ва-компоненти, що випаровується, та кількістю, яка з'являється на поверхні, таке, що площа, яку займає активатор у вигляді тримірних структур, є максимальною. Це зумовлює і максимальну активність катода, котра відповідає оптимально активованим МПК з плівкою осмія. Для МПК ж з У/ губкою емісійна здатність, остаточно, не залежить від розміру зерен губки та її пористості. Зі зменшенням діаметра частинок і пористості матриці, при інших рівних умовах, збільшується лише час досягнення максимальної активності. Причому ця активність у всіх катодів забезпечується однією і тією ж кількістю Ва-компоненти на їх робочій поверхні.

4. Зростання емісійної здатності МПК при нанесенні на їх робочу поверхню плівки Оэ-Гг-А! обумовлене збільшенням вмісту Ва-компоненти у вигляді кристалітів окислів ЛЗМ на зернах губки.

Встановлено, що зміна швидкості випаровування активної речовини МПК при нанесенні на його робочу поверхню плівки Об-іг-АІ визначається пористістю губки: потік Ва-компоненти при осмуванні високопористих катодів зменшується, середньо-пористих — збільшується, а низькопористих — залишається без змін.

5. При знегажуванні МПК вільний барій, відповідальний за емісію термокатодів на основі окислів лужноземельних металів,

як і для оксидних катодів, утворюється вже на початкових етапах цього процеса. Збереження металевого Ва до кінця знегажування дозволяє катодам придбати високу активність навіть без додаткового високотемпературного прогрівання.

Наукове та практичне значення роботи.

Наукове значення роботи полягає в тому, що доведено існування тримірних структур окислів ЛЗМ на поверхні вольфрама та ренія навіть при високих температурах Т<1500 К.

На основі одержаних даних розроблено ряд пропозицій щодо виготовлення високоактивних МПК і ці пропозиції впроваджені в виробництво в НДІ "Оріон", м. Київ.

Достовірність одержаних результатів забезпечується регулярним повторенням експериментальних даних по кожному типу МПК та використанням комплексу сучасних методів досліджень, таких як кількісна високовакуумна мас-спектро-метрія, оже-спектрометрія, емісійна та растрова мікроскопія, рентгенівський мікроаналіз, емісійні вимірювання в діодній системі. Результати по впливу водню на випаровування та активність зразків, що вивчалися, були додатковим методом досліджень.

Положення, шо виносяться на захист:

1. В процесі термовакуумної обробки на поверхні метале-вопористих катодів утворюються та існують навіть при високих температурах (Т<1500 К) тривимірні структури (кристаліти) окислів ЛЗМ, активовані барієм; і саме вони роблять основний внесок в емісійну здатність МПК.

2. Зростання емісійної здатності металевопористих катодів при нанесенні на їх робочу поверхню плівки Об-іг-АІ пов'язане зі збільшенням на цій поверхні вмісту активної речовини у вигляді кристалітів окислів ЛЗМ.

3. Оптимальна емісійна здатність МПК на основі що мають різні технологічні параметри губки, забезпечується однією і тією ж кількістю Ва-компоненти на їх робочій поверхні,

і, в результаті, не залежить ні від пористості губки, ні від розміру її частинок. Вплив технологічних параметрів губки на активність таких катодів має місце лише при стандартних режимах термовакуумної обробки ЕВП.

Особистий внесок автора дисертації полягає в одержані та обробці більшості експериментальних даних, що приведені в дисертаційній роботі. Аналіз та узагальнення отриманих результатів проводились автором за участю інших співавторів.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися на XVIII — XXII Всесоюзних конференціях з емісійної електроніки.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 19 друкованих праць, серед яких 11 статей в журналах та 8 тезисів доповідей на конференціях. Отримано також 2 авторських свідоцтва на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести глав, заключного розділу та списка цитованої літератури. Вона викладена на 221 сторінці, включаючи 142 сторінки машинописного тексту, 73 малюнка на 54 сторінках, 4 таблиці, список літератури з 248 найменувань на 23 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету дисертаційної роботи, а також відображено наукову новизну, основні результати та практичне значення роботи. В цьому ж розділі наведено короткий зміст роботи та основні положення, що виносяться на захист.

Перта глава є оглядовою. В ній проаналізовано всі сучасні точки зору на механізм емісії металевопористих катодів, як звичайних, так і покритих плівкою тугоплавких металів.

Розглянуті в огляді результати робіт численних авторів показують, що суттєвий внесок у відбираємий зі звичайного МПК струм емісії можуть робити всі ділянки його робочої поверхні: і моноатомна плівка Ва-компоненти на зернах губки, і кристаліти окислів ЛЗМ на цих же зернах, і пори, заповнені активною речовиною. Однак надати перевагу будь-якому з цих механізмів емісії, виходячи з існуючих в літературі відомостей, неможливо.

В поглядах на механізм емісії МПК, вкритих плівкою тугоплавких металів, дослідники теж не мають єдиної думки. Так, наприклад, осмований металевопористий катод в одних

роботах вважається за металоплівковий, в інших же доводиться, що ріст активності МПК при нанесенні на його робочу поверхню плівки осмія пов'язаний зі збільшенням площі, яку займають кристаліти, на цій поверхні. Тобто різні дослідники факт збільшення концентрації Ва-компоненти при осмуванні МПК трактують по різному.

Останнім часом ряд авторів роблять спроби довести, що висока активність МПК, вкритих плівкою тугоплавких металів, забезпечується високим дипольним моментом системи Ва-О на інтерметалічному сплаві осмія, ренія або іридія з вольфрамом, що утворюється. Однак невизначеності в моделях структури робочої поверхні таких катодів існують як у прибічників кристалітного механізму емісії, так і у прибічників плівкового механізму емісії.

Так як аналіз праць, направлених на вивчення механізму емісії металевопористих катодів показав, що їх властивості значною мірою залежать від складу активної речовини, параметрів губки та властивостей нанесеної плівки тугоплавких металів в огляді детально розглянуто вплив технологічних параметрів МПК на його фізико-хімічні та емісійні властивості.

Проведений огляд робіт, в яких досліджувались фізико-хімічні та емісійні властивості металевопористих катодів різних типів дозволив зробити висновок, що, не дивлячись на використання найсучасніших методів досліджень та велику кількість одержаних результатів, питання про механізм емісії, а зокрема про роль кристалітів окислів АЗМ в цьому механізмі залишається відкритим.

Складність фізико-хімічних процесів, що відбуваються на поверхні МПК і велика кількість змінюючихся параметрів не дає можливості провести квантово-механічний розрахунок макроскопічних характеристик поверхні, таких як структура адсорбованого шару, відповідального за емісію катода, теплота випаровування активної речовини та ін. Тому для розробки загальної точки зору на фізику роботи металевопористого катода необхідно продовжувати накопичення фактичного матеріалу.

В лругій главі описано методики експеримента та методичні особливості досліджень. В роботі застосовувались: 1) мас-спектрометр типу МСВ-1 з чутливістю за потоком випаро-

10 2*1

вуваної Ва-компоненти на рівні 10 мол-см -с для вивчення випаровування активної речовини МПК. Мас-спектрометр типу МХ-7304 використовувався для дослідження газовиділення катодів; 2) оже-спектрометр типу 09 ІОС-3 з аналізатором типу "циліндричне дзеркало" для вивчення локального (з просторовим розділенням 20 мкм) та загального складу поверхні; 3) рентгенівський мікроаналізатор типу "СОМЕВАХ" з просторовим розділенням 1 мкм для зондування більш глибоких (до 1 мкм) шарів поверхні МПК; 4) електронний растровий мікроскоп типу РЕМ-100 У з роздільною здатністю не гірше 100 пм та збільшенням до 200 000 для вивчення мікрорельєфу робочої поверхні МПК; 5) йонно-електронний емісійний мікроскоп типу ЛЕМ-ЕЗ для вивчення розподілу емісійних центрів по поверхні катода.

В роботі були виконані також емісійні дослідження в діодній системі. Вони проводилися за допомогою джерела анодної напруги, що виробляло поодинокі імпульси прямокутної форми тривалістю 4 мкс. Амплітуда імпульсів могла плавно змінюватись від 20 В до 5 000 В. Робота виходу МПК визначалась методом повного струму, а їх характеристичні температури — за недокальними характеристиками. За допомогою спеціально змонтованої установки досліджувалось випаровування та емісійна здатність МПК в атмосфері водню.

Багато результатів було отримано за допомогою установки для комплексних досліджень, в робочу камеру якої були вмонтовані аналізатори мас-спектрометра та оже-спектрометра, а також охолоджуваний (з можливістю знегаження електронним бомбардуванням) мідний анод для емісійних досліджень.

Як досліджувані зразки використовувались металевопо-ристі катоди торцевого типу з різноманітними технологічними параметрами. Зразки відрізнялись матеріалом губки, її пористістю, розмірами частинок губки, мікрогеометрією робочої поверхні, а також присутністю або відсутністю на ній плівки Об-іг-АІ. Для МПК з Ие-Ш губкою застосовувався алюмінат ВаСа складу ЗВаО -О.бСаО -А^Оз, а для МПК, губка яких була виготовлена з У/ — 2.4ВаО-0.6СаО-А^Оз. В залежності від поставленої задачі катоди досліджувались десятки, сотні та тисячі годин. В загальній кількості було вивчено приблизно 200 зразків. Всі МПК були виготовлені в НДІ "Оріон", м. Київ.

В третій главі розглянуті результати мас-спектрометричних та емісійних досліджень МПК з різними технологічними параметрами губки. Вперше, за допомогою прилада, що дозволяє отримувати кількісні значення швидкостей випаровування окремих компонент, вивчено випаровування великої кількості катодів, які відрізняються матеріалом та пористістю губки, з плівкою та без плівки тугоплавких металів. Вивчено також вплив мікрорельєфа робочої поверхні МПК на випаровування Ва-компоненти. Всі зразки перед основними дослідами знега-жувалися в одному й тому ж режимі безпосередньо в мас-спектрометричному аналізаторі. Такий підхід до досліджень дозволив виключити велику кількість неоднозначностей в трактовці отриманих результатів, як то спостерігається в літературних джерелах, що присвячені цьому питанню. Технічні особливості мас-спектрометра МСВ-1, такі як вмонтований (з можливістю прогрівання) молібденовий анод для емісійних вимірювань та можливість зміни енергії іонізуючих електронів від 1 еВ до 200 еВ, дозволили отримувати більш повні відомості відносно складу продуктів випаровування, динаміки випаровування не Ва-компоненти взагалі, а Ва, ВаО, Ва(ОН)2 окремо, та щодо корреляції між випаровуванням активної речовини і емісійною здатністю МПК на протязі всьго строку служби. Варто зазначити, що випаровування гідрата окисла барія з металевопористих катодів нами спостерігалося вперше.

Було встановлено, що при збільшенні тиску пресування губки з 1 ГПа до 1.4 ГПа, тобто при зменшенні її пористості, коли площа, яку займають зерна губки на робочій поверхні, збільшується лише в 1.2 рази, швидкість випаровування ВаО зростає не менш, ніж в 5 - 7 разів. При цьому, як показали емісійно-мікроскопічні дослідження, приблизно в таку ж кількість разів збільшується і площа, що зайнята емісійно-активними центрами. Теплота випаровування і Ва (3.5 еВ), і ВаО (4.5 еВ) для МПК та оксидного катода мають практично одні й ті ж значення і не залежать від пористості губки. В той же час з літератури відомо, що моноатомна плівка ВаО як на вольфрамі, так і на ренії випаровується у вигляді Ва та енергія активації цього процеса перевищує 4 еВ. Експеримент також показав, що у високоактивних МПК в процесі роботи навіть на протязі декількох тисяч годин потік барія ЫВа практично не

змінюється. Потік же ВаО NBa0 зменшується за цей час більше, ніж в 10 разів. Після активування металевопористих катодів зменшення в часі NBa0 завжди супроводжується зниженням їх емісійної здатності.

Приведені результати дозволили зробити висновок про те, що в процесі активування МПК незалежно від матеріале губки та її пористості на їх робочій поверхні утворюються кристаліти окисла барія та саме вони роблять основний внесок в емісійну здатність катодів.

При дослідженні катодів, вкритих плівкою Os-Ir-Al, що напорошувалась на зразки з різною пористістю губки, було встановлено, що така плівка не тільки зменшує потік Ва-компоненти з МПК, як то випливає з літературних джерел, але й навпаки збільшує його. Причому не тільки NBa, але й NBa0. Встановлено, що теплота випаровування барія та окисла барія з осмованих катодів така ж, як і з звичайних МПК. Наведені дані вказують на утворення кристалітів ВаО й на поверхні металевопористих катодів з плівкою Os-Ir-AJ. Причому ріст активності таких зразків зумовлений збільшенням кількості кристалітів на їх робочій поверхні. До того ж, цей факт добре підтверджується даними, що отримані за допомогою електронного емісійного мікроскопа.

Четверта глава присвячена в основному викладенню результатів оже-спектрометричних та емісійних досліджень МПК, що відрізняються за матеріалом, пористістю та розміром зерен губки. '

Було встановлено, що знегажування МПК завершується в основному на момент досягнення температури порядку 1400 К. Під час знегажування склад поверхні катода суттєво змінюється, що пов'язано з диффузією, міграцією та випаровуванням Ва-компоненти. Завдяки великій кількості досліджуваних зразків, які відрізнялися технологічними параметрами губки, була детально вивчена динаміка цих процесів. Визначені закономірності формування емісійно-активного складу поверхні в сукупності з мас-спектрометричними та емісійно-мікроскопічними дослідженнями дозволили, як і в главі III, зробити висновок про утворення на поверхні МПК кристалітів окисла барія, відповідальних за емісію металевопористого катода. Але результати цих досліджень показали, що іноді не можна

зневажати і внеском в емісійну здатність моноатомної плівки Ва-компоненти на зернах губки. Особливо, якщо теплота випаровування активної речовини з матеріале губки велика, а робота виходу системи Ва-О-Ме — мала. Крім того, при визначенні внеску в емісію електронів моноатомною плівкою Ва-компоненти необхідно конкретизувати вакуумні умови, в яких працює катод, внаслідок того, що стійкість до отруєнь залишковими газами у кристалітів набагато вища.

Було показано також, що якщо МПК, незалежно від технологічних параметрів губки (пористість, розмір зерен), мають однакову емісійну здатність, то вона забезпечується однією і тією ж кількістю активної речовини на робочій поверхні.

Аналіз результатів, наведених в цій главі, та їх співставлений з літературними даними дозволив зробити такий висновок. Робоча поверхня високоактивного металевопористого катода — це тримірні структури Ва-компоненти, відповідальні за емісію МПК, моноатомна плівка цієї компоненти (Ва-О та Ва) на зернах губки, що є джерелом підживлення кристалітів активною речовиною, та надлишковий кисень на зернах губки.

В п'ятій главі описано вплив режиму термовакуумної обробки катодів на основі окислів ЛЗМ на їх фізико-хімічні та емісійні властивості.

Цілеспрямовані оже-, мас-, рентгеноспектральні, емісійно-мікроскопічні та емісійні дослідження, проведені з високо- та низькоактивними МПК, як на початку їх терміну служби, так і після обробки в форсованому режимі на протязі 600 годин та 1000 годин, переконливо вказали на ведучу роль кристалітів активної речовини в механізмі емісії металевопористих катодів. Встановлено, що формування та час життя тримірних структур окислів ЛЗМ на поверхні МПК визначається вмістом ВаО в порах губки, який в помітній кількості утворюється на етапі насичування матриці алюмінатом Ва-Са за рахунок його термічної диссоціації, у зв'язку з тим, що температура при цьому процесі сягає близко 2000 К.

Модельний експеримент, в якому на монокристал вольфраму (110) пошарово або спільно напорошувались товсті шари окислів барія та кальція, а далі кристал прогрівався за режимом термообробки МПК, і, крім того, дослідження реальних МПК,

проведені за допомогою рентгенівського мікроаналізу, показали, що мікрокристали СаО є центрами утворення кристалітів. Висока термічна стійкість кристалітів пояснюється високою енергією зв'язку окисла кальція з зернами губки.

Шоста глава присвячена впливу водню на фізико-хімічні та емісійні властивості металевопористих катодів різних типів. Необхідність таких досліджень випливала з потреби перевірки припущення того, що МПК — високотемпературна модифікація оксидного катода. Актуальність цієї роботи диктувалася ще й практичними аспектами, в зв'язку з тим, що Н2 як засіб остаточного очищення ЕВП має досить широке застосування, а систематичного вивчення його впливу на властивості МПК ще не було проведено.

Експеримент показав, що водень, в діапазоні тисків 7.5 • 10'5 - 1.5 • 10'1 Па суттєво впливає на влистивості всіх типів металевопористих катодів. Ступінь цього впливу, як і у випадку ОК, визначається тиском водню, роботою виходу та температурою зразка. Причому зміни властивостей катодів в атмосфері водню відбуваються за рахунок утворення надлишкового барія. Так, як і для ОК, якщо в процесі дії водню емісія МПК пройшла через максимум, то при наступному прогріванні після відкачки Н2, коли виникаючий надлишок метала видаляється, вона також проходить через максимум, повертаючись до вихідного стану.

Встановлені зміни емісії МПК під дією водню можуть бути пояснені на основі уявлень про ведучу роль поверхні та об'єму мікрокристалів активної речовини, яка знаходиться в порах та кристалітах, тобто в припущенні, що повна робота виходу катода визначається їх внутрішньою та зовнішньою роботою виходу. Фактично було встановлено, що дійсно в МПК за емісійні властивості видповідають тримірні структури окислів ЛЗМ.

Характер зміни активності і випаровування Ва-компоненти металевопористих катодів, вкритих плівкою Об-іг-АІ, практично не відрізняється від характера, притаманного звичайним МПК. Лише звертає на себе увагу більш високий ступінь впливу водню на емісійну здатність осмованих катодів, що пов'язано з ускладненою дифузією активної речовини через плівку тугоплавких металів, частково затуляючу пори.

В кінці глави на основі аналізу сукупності даних по впливу водню на властивості осмованих МПК з різною пристістю губки зроблено висновок, що високу активність МПК з плівкою Об-іг-АІ, як і МПК без плівки, забезпечують об'ємні утворення окислів АЗМ.

В заключенні на основі аналізу частинних висновків, зроблених в експериментальних главах за результатами досліджень, формулюються узагальнені висновки.

1. В процесі термовакуумної обробки на поверхні як безплівкових МПК, так і вкритих плівкою Об-іг-АІ, утворюються і підтримуються тримірні структури (кристаліти) окислів ЛЗМ, активовані барієм; та саме вони роблять основний внесок в емісійну здатність катодів. Можливість утворення кристалітів та їх існування при робочій температурі зумовлені присутністю в МПК помітної кількості окисла барія, що з'являється за рахунок термічної дисоціації алюміната Ва-Са при виготовленні катода, та її дифузією на робочу поверхню.

2. Присутність в МПК перед термовакуумною обробкою в ЕВП карбоната барія ВаС03, залежність емісійної здатності катодів від парціального тиску СОг над зразками при знега-жуванні, корреляція між початком появи емісії МПК та моментом практично повного розкладу ВаС03, співпадання загальних та ряду часткових закономірностей в фізико-хімічних процесах при взаємодії водню з МПК та ОК дозволяє стверджувати, що дійсно металевопористий катод є високотемпературною, але більш складною, модифікацією оксидного катода.

3. Ріст емісійної здатності МПК при нанесенні на їх робочу поверхню плівки Об-іг-АІ пов'язаний зі збільшенням на цій поверхні вмісту активної речовини у вигляді кристалітів окислів ЛЗМ.

Встановлено, що плівка Об-іг-АІ на робочій поверхні МПК складним чином змінює швидкість випаровування Ва-компо-ненти. Характер випаровування визначається пористістю матриці: напорошення плівки Об-іг-АІ товщиною 0.3 мкм на катоди з великою пористістю зменшує потік активної речовини, на катоди з середньою пористістю — збільшує, з малою — практично не змінює.

4. При знегажуванні МПК вільний барій, видповідальний за емісію термокатодів на основі окислів ЛЗМ, утворюється вже на самих ранніх етапах цього процеса. Збереження металевого барія до кінця знегажування дозволяє катодам придбати високу активність й без додаткового високотемпературного прогрівання.

5. Металевопористі катоди з ІХе-^/У губкою мають більш високу емісійну здатність, ніж МПК на основі вольфрама, що пов'язано як з більшою площею робочої поверхні, яку займає активна речовина у вигляді кристалітів окислів ЛЗМ, так і з більш високою емісійною активністю моноатомної плівки Ва-компоненти на зернах губки ренія.

6. Геометричний мікрорельєф поверхні МПК визначає швидкість випаровування активної речовини та співвідношення серед продуктів випаровування між вільним та окисленим барієм. У катодів, робоча поверхня яких пройшла корректування за допомогою йонного травлення, сумарний потік Ва-ком-поненти вище, ніж у МПК з механічно обробленою поверхнею. Причому у йонно-травлених катодів у всьому діапазоні робочих температур ИВа помітно перевищує НВа0.

7. Активна речовина з МПК випаровується у вигляді Ва, ВаО, та Ва(ОН)2. Присутність серед продуктів випаровування металевопористих катодів гідрата окисла барія спостерігалася вперше. Як і у випадку плівкових оксидних катодів ^а(ОН)г може робити свій внесок в зменшення строку служби МПК. Але, на відміну від них, в металевопористих катодах втрата Ва-компоненти за рахунок випаровування Ва(ОН)2 є несуттєвою і не впливає на довговічність.

Основні матеріали дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. Испарение металлопористых катодов. //Радиотехника и электроника. 1979. Т.24. N.6. С.1184-1186.

2. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. Испарение металлопористых катодов, покрытых пленками тугоплавких металлов разной толщины. //Электронная техника. Серия. 1. Электроника СВЧ. 1980. Вып.8(320). С.25-27.

3. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. Влияние пленки тугоплавких металлов на испарение металлопористых катодов с различной пористостью губки. //Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1982. Вып.6(342). С.36-38.

4. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. Исследование свойств металлопористых катодов в атмосфере водорода. //Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1984. Вып.9. С.40-43.

5. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. Влияние водорода на свойства металлопористых катодов, покрытых пленкой Оз-1г-А1. //Электронная техника. Сер.4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1985. Вып.1. С.8-12.

6. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. Исследование состава металлопористых катодов методом электронной оже-спектроскопии. //Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1986. Вып.8(392). С.30-33.

7. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. Влияние режима разложения карбонатов ЩЗМ на состав и эмиссионные свойства получаемых окислов. //Известия АН СССР. Сер. Физическая. 1988. Т.52. N.8. С. 1500-1503.

8. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. Влияние режима термовакуумной обработки оксидных катодов на их состав и эмиссионные свойства. //Электронная техника. Сер.4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1989. Вып.4. С.50-54.

9. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. О роли кальция в металлопористых катодах. //Известия АН СССР. Сер. Физическая. 1991. Т.5. N.12. С.2357-2361.

10. Шнюков В.Ф., Михайловский Б.И., Лушкин А.Е. и др. Влияние режима термовакуумной обработки металлопористых катодов на их физико-химические и эмиссионные свойства. //Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1991. Вып.5. С.24-28.

11. Гетьман О.И., Лушкин А.Е., Паничкина В.В. и др. О причинах низкой эмиссионной способности металлопористых катодов. //Известия РАН. Сер. Физическая. 1994. Т.58 N.10 С.76-79.

SUMMARY.

A. E. Lushkin. The role of the earth-alkaline metal oxide crystallites in the emission mechanism of dispenser cathodes.

The dissertation is for the application to a scientific degree of the candidate of physical-mathematical sciences on a speciality 01.04.04 - physical electronics. Institute of Physics of Ukrainian National Academy of Science, Kiev, 1996.

The manuscript where the results of 19 scientific works are stated is defended. The dissertation is devoted to complex research of dispenser cathodes with the purpose of finding out of the mechanism of their emission. It is established, that at the thermal processing in vacuum barium activated 3D-structures (crystallites) of earth-alkaline metal oxides will be formed and exist even at high temperatures (T ^ 1500 K) on the dispenser cathode surface; and just they bring the main contribution to the emission ability of cathodes. Basing on the received data a number of the suggestions on the manufacturing of high-active dispenser cathodes have been developed and these suggestions have been adopted into practice.

АННОТАЦИЯ

Лушкин А. Е. Роль кристаллитов окислов щелочноземельных металлов в механизме эмиссии металлопористых катодов.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 —

физическая электроника. Институт физики НАН Украины, г.Киев, 1996.

Защищается рукопись, в которой изложены результаты 19 научных работ. Диссертация посвящена комплексному исследованию металлопористых катодов (МПК) с целью выяснения механизма их эмиссии. Установлено, что при термовакуумной обработке на поверхности МПК образуются и существуют даже при высоких температурах (Т<1500 К) трехмерные структуры (кристаллиты) окислов ЩЗМ, активированные

барием; и именно они вносят основной вклад в эмиссионную способность катодов. На основании полученных данных разработан ряд предложений по изготовлению высокоактивных МПК и эти предложения внедрены в производство.

Ключові слова: металевопористий катод, емісія, алюмінат барія-кальція, активна речовина, плівка тугоплавких металів, кристаліти ВаО, моношар Ва-компоненти.