Однако при интенсивных разрядах величина ионного тока (3.28) может быть столь велика, что электронный ток, определяемый согласно выражению (3.94), превысит эмиссионную способность катода. В таких случаях возможно разрушение катода от мощности, выделяемой бомбардирующими ионами с расплавлением или испарением поверхности.
В некоторых типах источников накал катода выключается после начала разряда, в других вообще не применяется система накала катода: разряд зажигается приложением либо высокого напряжения, либо высокочастотного поля. В этих случаях катод достигает такой температуры, при которой нагрев ионами точно равен охлаждению за счет излучения и электронной эмиссии. Легко показать (7.13), что при таком режиме работы катода не может быть ограничения эмиссии объемным зарядом.
Режим работы в условиях ограничения эмиссии объемным зарядом может быть достигнут с использованием нагревателя катода, однако это будет аномальный режим, который может привести к перегреву, а возможно, и сгоранию катода при подаче газа или напряжения разряда.
Вывод, сделанный в этом разделе, что эмиссия, ограниченная
объемным зарядом, не будет являться нормальным режимом работы, противоречит
общему мнению. Во многих обзорах
разрядных явлений
содержатся ссылки на работу катодов в режиме объемного заряда (см., например,
[287, ПО]). Этот режим— единственный, при котором и охлаждение за счет
электронной эмиссии, и нагрев за счет ионной бомбардировки вносят важный вклад
в баланс .мощности на катоде. В этом случае ток будет возрастать при любом
изменении в разряде, например увеличении напряжения разряда или плотности
плазмы, что увеличивает мощность ионной бомбардировки. Однако эмиссия редко
ограничивается объемным зарядом в смысле существования минимума потенциала на
катодном слое или нулевого значения градиента потенциала на поверхности катода.
7.4. Вольфрам, тантал и молибден
Простейший тип катода представляет собой проволоку из тугоплавкого металла, по которой пропускают электрический ток, вызывающий омический нагрев проволоки до температуры эмиссии. Для этих целей применяют три материала: вольфрам, тантал и молибден. На рисунке изображена зависимость тока эмиссии с этих металлов от температуры эмиттера при нулевом поле (рис. 7.8). Рабочая температура катода ограничивается не только точкой плавления, но и достижением высокой скорости испарения материала при температурах, гораздо ниже температуры плавления. Поэтому полезно определить зависимость скорости испарения для этих металлов от плотности тока эмиссии.
Данные по давлению паров для этих материалов можно найти в справочной литературе. Кинетическая теория дает выражение для скорости испарения атомов с единицы поверхности как функции давления и температуры:
Рис. 7.8. Плотность тока термоэмиссии как функция температуры для молибдена, тантала и вольфрама.
Масса материала, испаряемого с единицы поверхности в единицу времени, может быть найдена умножением этой величины на атомную массу М. Разделив результат на плотность, получим толщину материала, испаряемого за секунду,
(7.14)
Все значения величин, входящих в соотношение (7.14), должны быть выражены в одной системе единиц, например в СИ. Если S имеет размерность см/с, p выражено в торрах, ρ — в г/см3 и T — в градусах Кельвина, то (7.14) примет вид
(7.15)
где МА—масса в атомных единицах. Из зависимости S от J для трех рассматриваемых материалов (рис. 7.9) следует, что вследствие высокой скорости испарения молибден не может конкурировать с танталом и вольфрамом, характеристики .которых близки (рис. 7.9). При больших плотностях тока эмиссии предпочтение отдается вольфраму. Однако разница скорости испарения тантала и вольфрама находится в пределах погрешности определения величин, входящих в выражения (7.14) или (7.15). Другие критерии, например прочность при высокой температуре, делают предпочтительным использование вольфрама как лучшего материала для катода.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.