СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭМИССИОННОЙ АКТИВНОСТИ ОКСИДНОГО КАТОДА В ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ Российский патент 1997 года по МПК H01J9/04 H01J9/42 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к изготовлению вакуумных электронных приборов с доступным для визуального наблюдения оксидным катодом, и может быть использовано для определения эмиссионной активности последнего.

Известен способ определения эмиссионной активности оксидного катода в вакуумных электронных приборах, называемый методом накальной характеристики, заключающийся в подаче напряжения накала на катод, напряжения на анод, снятии и анализе характеристики вида (В.П.Никонов. Оксидный катод, 1979, М. Энергия, с. 206)
I_к f (U_н или P_н),
где I_к катодный ток,
U_н напряжение накала катода,
P_н мощность, подаваемая на катод.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится его трудоемкость, кроме того, результаты измерений, проводимых для построения зависимости I_к f (U_н или P_н), мало воспроизводимы. Это объясняется тем, что для установления физико-химического равновесия в оксидном катоде (в особенности при малых температурах) требуется время, значительно большее, чем интервалы между двумя обычно проводимыми измерениями.

Частным случаем этого способа является широко применяемый в производстве способ измерения недокальных параметров. Сущность его заключается в измерении тока катода при 10% недокала (по напряжению накала). Однако этот способ оценки эмиссионной активности катода неточен, в особенности для приборов, у которых абсцисса точки, так называемой "характеристической температуры", значительно смещена от рабочего напряжения накала в сторону больших значений.

Более совершенным способом определения эмиссионной активности катода является способ, получивший название "испытания по спаду тока" (М.Г.Бодмер. Новый метод измерения активности катода по спаду тока. -IRE Transactions on Electron Devices, January, 1958). Сущность его заключается в определении величины спада анодного (катодного) тока при кратковременном выключении напряжения накала лампы (прибора).

Технически способ осуществляется следующим образом:
а) по годному прибору подбирают такую длительность выключения накала, при которой появляется небольшой, но уже хорошо регистрируемый прибором спад катодного тока. Для приборов с катодом косвенного накала это время составляет 5-10 с;
б) затем при том же времени выключения накала измеряют величину спада тока у анализируемых приборов.

Чтобы исключить влияние разброса геометрических размеров электродов в анализируемых приборах, измерение глубины спада тока целесообразно производить при одинаковом катодном токе.

Во всех описанных выше способах не происходит непосредственное измерение тока эмиссии (тока насыщения), так как в статическом режиме это произвести невозможно из-за того, что эмиссионный ток, протекающий сквозь оксидный слой, выделяет в нем тепло одного порядка с мощностью накала, а это не дает возможности установить режим насыщения при рабочей температуре катода. Теоретически возможный ток насыщения достаточен для разрушения оксидного катода выделяемым им теплом. При измерении таких больших токов неизбежна тепловая перегрузка электродов, в результате которой выделяющиеся из электродов газы могут привести к стравлению оксидного катода. Кроме того, измеренное значение тока эмиссии оксидного катода зависит в сильной степени от напряженности внешнего электрического поля. Поэтому измерение эмиссионного тока приходится проводить в специальных режимах. Измерение его можно проводить либо в течение очень коротких промежутков времени, либо в статических режимах, но при температурах катода, более низких, чем рабочая.

Известны три способа непосредственного измерения тока эмиссии для оценки эмиссионной активности катода.

Это импульсный метод, согласно которому измерение тока эмиссии проводится в течение очень коротких промежутков времени путем подачи на электроды прибора импульсов прямоугольной или близкой к ней форме длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд с частотой повторения от нескольких сот до нескольких тысяч импульсов в секунду (А.Е.Иориш, Я.А.Кацман, С. В.Птицын. Основы технологии производства электровакуумных приборов. М. -Л. Государственное энергетическое издательство, 1961, с. 478). При этом получают токи эмиссии в несколько сот ампер с квадратного сантиметра. Недостатком способа является то, что его целесообразно применять только для исследования приборов, работающих в импульсном режиме.

Другой известный способ определения тока эмиссии по характеристике тока начальных скоростей электронов (Л.В.Шубин. Методы расчета характеристик и параметров электронных ламп с сетками. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, 1953). Он заключается в том, что при определенных отрицательных значениях напряжения на аноде диода электроны могут попадать на него за счет начальных значений энергии. Ток в области начальных скоростей электронов для правильного плоскопараллельного диода изменяется по закону

где абсолютное значение напряжения на аноде с учетом контактной разности потенциалов между анодом и катодом.

Снимая зависимость I_a f(U_a) в области начальных токов и строя затем эту зависимость в полулогарифмическом масштабе, по углу наклона полученной прямой определяем температуру катода. Подставив полученное значение температуры в уравнение

получаем величину тока эмиссии.

У этого способа много недостатков: сложность, неточность, применение специального точного оборудования. Поэтому он для определения тока эмиссии используется редко.

В качестве прототипа взят способ измерения тока эмиссии при низких температурах. Сущность способа заключается в том, что устанавливают такую низкую температуру катода, чтобы получаемые при этом токи не могли практически изменять температуру катода и токоприемных электродов прибора (А.Е. Иоршин, Я. А. Кацман, С.В.Птицын. Основы технологии производства электровакуумных приборов, 1961, с. 478-479, М.Л. Государственное энергетическое издательство). Измерения обычно проводят при температурах катода 300-400^oC, при которых ток эмиссии для хорошо обработанных оксидных катодов оказывается равным нескольким единицам мА/см².

Для оценки эмиссионной активности катода по способу-прототипу можно либо измерять ток эмиссии при постоянной мощности накала, либо определять мощность накала, необходимую для достижения определенного значения тока эмиссии.

Вследствие повышенной чувствительности катода к отравлению при низких температурах измерения тока следует проводить при потенциалах на электродах, меньших, чем энергия диссоциации возможных окислов. Обычно эти измерения проводят при напряжении между электродами, равном 2-4 В. Величина тока катода в таком режиме столь мала (10-1000 мкА), что не происходит его элекролитического активирования, тогда как при всех других способах измерения тока эмиссии, когда ток катода в несколько раз превышает рабочий, электролитическое активирование имеет место.

Несмотря на малые токи катода способ обеспечивает возможность измерения тока катода при нулевом или положительном градиенте потенциала у его поверхности. В результате отсутствуют электроны, возвращающиеся обратно на катод, т. е. катод работает в режиме полного токоотбора или на пределе его запаса эмиссии.

Однако для успешного измерения тока эмиссии в глубоком недокале необходима стабильность величины напряжения на аноде и мощности накала во времени и от прибора к прибору. Для этого источники питания необходимо хорошо стабилизировать, все приборы должны быть высокого класса точности.

Достижению требуемого технического результата при использовании способа-прототипа препятствуют высокая трудоемкость и низкая точность определения эмиссионной активности оксидного катода.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в снижении трудоемкости (сокращении времени) и повышении точности измерения (определения) эмиссионной активности оксидного катода в вакуумных электронных приборах.

Задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в снижении трудоемкости и повышении точности определения эмиссионной активности оксидного катода.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения эмиссионной активности оксидного катода в вакуумных электронных приборах, заключающемся в подаче напряжения между катодом и токоприемным электродом, после подачи напряжения оксидный слой катода облучают, например, ультрафиолетовым светом, а затем измеряют ток фотоэлектронной эмиссии при комнатной температуре катода. Полученные величины фототока, как показали эксперименты на однотипных электровакуумных приборах, хорошо коррелируют с уровнем термоэмиссионной активности катодов в этих же приборах, определенной с помощью существующих способов.

Возможность оценивать эмиссионную активность оксидного катода по величине его фототока без применения специальных электрических схем, без вычерчивания накальных характеристик и их анализа значительно увеличивает скорость измерений, а использование ненакаленного катода особенно удобно в случае прямонакального катода, когда исключается градиент потенциала по длине его, отсутствует влияние пространственного заряда при фотоэффекте; малая плотность тока с катода на электроды прибора I_ф <1 мкА/см², исключающая физико-химические превращения в катоде, разогрев электродов, газоотделения с них и отравление катода выделившимися газами, повышает точность оценки активности катода и воспроизводимость результатов, что особенно важно при экспресс-контроле качества оксидных катодов в серийном производстве электровакуумных приборов.

Пример 1. Для опробования предлагаемого способа из текущего производства были взяты вакуумные люминесцентные индикаторы ИЛЦ 7-4/7Л, имевшие разный уровень анодных токов.

На сетку каждого индикатора подавалось напряжение U_д=10 B. Напряжение накала U_н= 0. Анод находился при нулевом потенциале. Катоды в каждом из индикаторов облучались ультрафиолетовым светом от облучателя модели 833 (ТУ 64-1-1080-72) с ртутно-кварцевой лампой ДРТ 230-1 и измерялся фототок в цепи катод-сетка.

Величина фототока с холодного катода в каждом из приборов при этом пропорционально соотносится с термоэмиссионной активностью, определяемой по способу накальных характеристик.

Для наглядности результаты сравнения заявленного способа и прототипа приведены на графиках фиг. 1, 2, построение которых является обязательным в случае использования способа-прототипа и не требуется при использовании предлагаемого способа.

Пример 2. Два забракованных по анодному току индикатора ИЛТ 6-30М были исследованы на эмиссионную активность катода в сравнении с годным индикатором, взятым в качестве эталона. Порядок обследования по примеру 1.

Исследования показали низкую эмиссионную активность у забракованных индикаторов по сравнению с эталонным. Результаты измерений приведены на графиках фиг. 3, 4.

Пример 3. При определении причин низкой яркости свечения в индикаторах ИЛВ 1-10/14 МВ были исследованы индикаторы с низкой яркостью и высокой (соответствующей ТУ). Порядок обследования такой же, как в примере 1.

В соответствии с функцией возбуждения низковольтной катодолюминесценции (см. Б. И. Горфинкель и др. Низковольтные катодолюминесцентные индикаторы. 1983, с. 13) яркость свечения линейно зависит от плотности тока. Плотность же тока, как известно, определяется эмиссионной активностью катода при прочих равных условиях.

Поэтому было проведено определение эмиссионной активности катодов. Оказалось, что она, а также плотности анодных токов в приборах с низкой яркостью свечения меньше, чем в приборах с высокой яркостью. На графиках фиг. 5 и 6 показаны результаты измерений.

Возможность оценивать эмиссионную активность оксидных катодов по величине фототока без снятия многоточечных зависимостей I_к=f(U_н), последующего их построения и анализа существенно увеличивает скорость измерений, а также позволяет избежать возможных вредных воздействий на оксидный катод при его исследовании существующими способами. Это позволяет сделать предположение о более высокой точности оценки эмиссионной активности оксидного катода в предложенном способе. При этом эмиссионную активность оксидного катода можно измерять как в относительных единицах, так и, по аналогии с термоэлектронной эмиссией, в единицах плотности тока при любой фиксированной мощности фотовозбуждающего потока излучения.

Использование: в электронной технике, в частности в области изготовления вакуумных электронных приборов с доступным для визуального наблюдения оксидным катодом для определения эмиссионной активности последнего. Сущность изобретения заключается в том, что между катодом и токоприемным электродом подают напряжение, после чего оксидный слой катода облучают светом, а затем измеряют ток фотоэлектронной эмиссии с катода, при этом облучение ведут при комнатной температуре катода без подачи напряжения накала на него. Способ позволяет снизить трудоемкость и повысить точность измерений эмиссионной активности оксидного катода. При этом эмиссионную активность можно измерять как в относительных единицах, так и в единицах плотности тока при любой фиксированной мощности фотовозбуждающего потока излучения. 6 ил.

Способ определения эмиссионной активности оксидного катода в вакуумных электронных приборах с доступным для визуального наблюдения катодом, включающий подачу напряжения между катодом и токоприемным электродом, отличающийся тем, что после подачи напряжения оксидный слой ненакаленного катода, находящегося при комнатной температуре, облучают светом, а затем измеряют ток фотоэлектронной эмиссии с катода, величина которого пропорциональна степени активности катода.