Катоды ионных источников. Теория термоэлектронной эмиссии в приближении свободных электронов, страница 9

Трудность использования LaB₆ заключается в том, что при высоких температурах он не должен контактировать с тугоплавкими металлами. При таком контакте бор проникает в тугоплавкий металл, образуя очень хрупкую, даже ломкую структуру. Для устранения этого эффекта необходимо заключить LaB₆ в графит; реализация такого контакта не вызывает особых трудностей. Также допустим контакт с рением или карбонизированным танталом. Материал способен растрескаться под действием теплового удара. Например, в катоде, успешно применявшемся в нашей лаборатории, LaB₆ имел вид цилиндрического колпака (рис. 7.16). Под действием ударной тепловой нагрузки происходил отрыв крышки от цилиндрической части. Если бы пришлось усовершенствовать катод, то крышку следовало бы выполнить отдельно от цилиндрической части, установить и поддерживать напротив , нее с помощью графитового нагревателя катода. В работе [115] сообщалось, что катод, имеющий форму плоского диска диаметром 7,1 см, также растрескался по радиусу, но не разрушился. Это означает, что растрескивания больших кусков LaB₆ трудно избежать, и там, где это возможно, катоды, имеющие большую поверхность, должны набираться из нескольких составных частей для предотвращения появления термических напряжений.

Хотя данная книга не ориентирована на описание технических деталей, полезно обратить внимание на нагреватель катода (см. рис. 7.16). Казалось бы, вольфрам — это естественный материал для изготовления нагревателя, так как из него можно легко изготавливать витки, но обычно изгиб таких нагревателей под действием высоких температур является причиной разрушения катода. С помощью графитового нагревателя (см. рис. 7.16) нетрудно снять эту проблему. Упомянутый нагреватель хорошо поддается механической обработке и легко крепится.

Среди нескольких конструкций используемых катодов из LaB₆ с прямым накалом, разработанных в лаборатории Лоуренса (Беркли), катод, описанный в работе [189]   (рис. 7.17),

/

Рис. 7.17. Концентрический катод из LaB₆ с прямым накалом.

достоин отдельного рассмотрения. Эмиттер из LaB₆ представляет собой полый цилиндр диаметром 11 мм и длиной 35 мм с утолщениями на концах. (Предполагаемый пользователь должен помнить, что такая форма сложна для изготовления.) Части крепятся с помощью монтажного стержня, тянущего центр сборки влево и внешнюю часть вправо (см. рис. 7.17). Эта конструкция компактна, на эмитирующей поверхности LaB₆ отсутствует магнитное поле от тока нагревателя, что существенно для ряда применений. Поле, которое обычно существует на поверхности катодов с прямым накалом, затрудняет выход имеющих очень низкую энергию электронов. Данный катод был сконструирован для того, чтобы вводить электроны в плазму с очень малой разностью потенциалов между плазмой и эмиттером.

7.10. Катоды из молибдена, покрытого оксидом лантаца

Так называемый LM-катод, изготавливаемый из молибдена, покрытого оксидом лантана (La₂O₃), впервые был описан в патенте [41]. Материал изготавливается смешением 2% весовых долей La₂O₃ с молибденовым порошком с последующим прессованием и спеканием для получения требуемой формы. Механические свойства этого материала близки к свойствам чистого молибдена, так что его можно легко обрабатывать и придавать ему требуемую форму.

Как и в случае катода из торированного вольфрама, эффективность и ресурс работы значительно изменяются при карбидизации поверхности. Эмиссия также возрастает при добавлении 0,5% платины в порошковую смесь. Такой катод использовался в различных плазменных   приборах  [113, 115, 239].

При работе в интенсивных разрядах и плотностях тока эмиссии ~ 10 А/см² рассматриваемому катодному материалу присущи некоторые недостатки (по сравнению с LaB₆). В то время как LaB₆ не требуется тренировка и ему свойственно постоянство работы разных участков, LM-катоды должны быть тщательно изготовлены и может потребоваться ~ 10 000 ч тренировки для их стабильной работы. Устойчивый режим работы соответствует лишь половине плотности тока, которую можно получить с LaB₆.