Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения

Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения

Обобщены данные исследований формирования состава и структуры эмитерного слоя адсорбированных веществ и эмиссионных характеристик традиционных и импрегнированных скандатных металлопористых катодов после термической активации и испытаний на долговечность в зависимости от параметров структурных элемен...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2016
Main Author: Гетьман, O.И.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 2016
Series:Электрические контакты и электроды
Online Access:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/125941
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения / O.И. Гетьман // Электрические контакты и электроды. — К.: ИПМ НАН України, 2016. — С. 125-136. — Бібліогр.: 31 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-125941
record_format dspace
spelling irk-123456789-1259412017-11-10T03:03:27Z Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения Гетьман, O.И. Обобщены данные исследований формирования состава и структуры эмитерного слоя адсорбированных веществ и эмиссионных характеристик традиционных и импрегнированных скандатных металлопористых катодов после термической активации и испытаний на долговечность в зависимости от параметров структурных элементов (металличекого каркаса, эмиссионно-активного вещества и пленки). Узагальнено дані досліджень формування складу і структури емітерного шару адсорбованих речовин і емісійних характеристик імпрегнованих традиційних і скандатних металопористих катодів після термічної активації і випробувань на довговічність залежно від параметрів структурних елементів (металічного каркасу, емісійно-активної речовини і плівки). These researches of forming of composition and structure of the adsorbed matters layer and emission сharacteristics of traditional and impregnated barium scandate cathodes are generalized depending on the parameters of structural elements (metallic carcass, emission-active matter and film) after the thermal activating and tests on life. 2016 Article Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения / O.И. Гетьман // Электрические контакты и электроды. — К.: ИПМ НАН України, 2016. — С. 125-136. — Бібліогр.: 31 назв. — рос. 2311-0627 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/125941 621.3.032.21 ru Электрические контакты и электроды Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Обобщены данные исследований формирования состава и структуры эмитерного слоя адсорбированных веществ и эмиссионных характеристик традиционных и импрегнированных скандатных металлопористых катодов после термической активации и испытаний на долговечность в зависимости от параметров структурных элементов (металличекого каркаса, эмиссионно-активного вещества и пленки).
format Article
author Гетьман, O.И.
spellingShingle Гетьман, O.И.
Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения
Электрические контакты и электроды
author_facet Гетьман, O.И.
author_sort Гетьман, O.И.
title Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения
title_short Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения
title_full Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения
title_fullStr Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения
title_full_unstemmed Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения
title_sort особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения
publisher Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
publishDate 2016
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/125941
citation_txt Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения / O.И. Гетьман // Электрические контакты и электроды. — К.: ИПМ НАН України, 2016. — С. 125-136. — Бібліогр.: 31 назв. — рос.
series Электрические контакты и электроды
work_keys_str_mv AT getʹmanoi osobennostistrukturyémiternogosloâiémissionnyhharakteristikimpregnirovannyhskandatnyhmetalloporistyhkatodovnovogopokoleniâ
first_indexed 2025-07-09T04:02:01Z
last_indexed 2025-07-09T04:02:01Z
_version_ 1837140516071800832
fulltext 125 УДК 621.3.032.21 Особенности структуры эмитерного слоя и эмиссионных характеристик импрегнированных скандатных металлопористых катодов нового поколения O. И. Гетьман Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, Киев, e-mail: getman@ipms.kiev.ua Обобщены данные исследований формирования состава и структуры эмитерного слоя адсорбированных веществ и эмиссионных характеристик традиционных и импрегнированных скандатных металлопористых катодов после термической активации и испытаний на долговечность в зависимости от параметров структурных элементов (металличекого каркаса, эмиссионно- активного вещества и пленки). Ключевые слова: импрегнированный скандатный металлопористый катод, вольт-амперные характеристики, эмиссионно-активное вещество. Несмотря на то, что со времени изобретения традиционных импрегни- рованных вольфрам-бариевых металлопористых катодов (WBa-МПК) прошло более 60 лет, теоретические и экспериментальные исследования механизма эмиссии МПК находятся в процессе развития и много вопросов остаются невыясненными и требуют дальнейшего изучения. Согласно концепции иерархии структурных уровней и структурной инженерии неорганических материалов, МПК является многофазным металлокерамическим иерархическим материалом, а электронная эмиссия МПК — результатом взаимообусловленных физико-химических взаимодей- ствий и структурных превращений на всех структурных уровнях разного масштаба при рабочих температурах 1100—1500 К [1]. В этой работе опре- делены иерархия структурных уровней МПК — электронный, нанострук- турный, мезо-, микро- и макроскопический и соответствующие им структурные элементы — электроны, атомы и молекулы, эмитерный слой адсорбируемых веществ, пленочное покрытие, вольфрамовый каркас и эмиссионно-активное вещество (ЭАВ). Дополнительное введение мезоско- пического уровня в МПК, структурным элементом которого является наноструктурированная пленка толщиной 0,5—0,6 мкм из Os и его сплавов с Ir или Ru, получаемая ионно-плазменным напылением на поверхность катода, позволило увеличить эмиссионную способность катодов по сравнению с WBa-МПК. Такие катоды получили название МПК М-типа. Мезоскопический структурный уровень занимает промежуточное положение между нано- и микроскопическим уровнями, влияет на состав эмитерного слоя, энергию адсорбционной связи и электронную структуру комплекса "адатами—Os, Ir, Ru" и, как следствие, на эффективную работу выхода. Традиционные импрегнированные WBa-МПК изготовляют, пропитывая пористый W-каркас эмиссионно-активным веществом на основе соединений © O. И. Гетьман, 2016 mailto:getman@ipms.kiev.ua 126 бария — алюмината (Ba3Al2O6), скандата (Ва3Sc4O9) или вольфрамата (Ba3WO6), алюминатов бария-кальция xBaO·yCaO·zAl2O3 в разных молярных соотношениях оксидов (x∙y∙z) [2, 3]. Окончательной операцией для получения эмиссионных характеристик МПК является высокотемпе- ратурная активация с целью образования эмитерного слоя на поверхности МПК (наноструктурного уровня). Важнейшими процессами при форми- ровании эмитерного слоя МПК считают: 1) термохимические реакции металла каркаса и ЭАВ; 2) массоперенос продуктов реакции — атомов активных веществ через поры и границы зерен на эмитирующую поверх- ность катода, в результате чего образуется эмитерный слой; 3) образо- вание адсорбционной связи атомов адсорбируемых веществ с металлами каркаса или пленки; 4) формирование электронной структуры "адатомы— W, Re, Os, Ir, Ru". Значительного повышения эмиссионной способности катодов удалось достичь при введении малых добавок Sc2O3 (3—6% (мас.)) в W-каркас, в ЭАВ или в пленку [4, 5]. В результате получены импрегнированные МПК, получившие название скандатных катодов нового поколения (ScВа-МПК), эмиссионная способность которых при температуре 1340 К выросла в ~20 раз по сравнению с традиционным WBa-МПК и в 4 раза — по сравнению с МПК М-типа [5]. При использовании в качестве ЭАВ скандата бария Ва3Sc4O9 в традиционных WBa-МПК содержание Sc2O3 значительно выше и равно 37,4% (мас.). В работе [6] установлено влияние фазового состава ЭАВ с добавками Sc2O3 на эмиссионные характеристики ScВа-МПК на основе W-каркаса. Показано, что добавка Sc2O3 в алюминаты бария-кальция приводит к появлению дополнительных фаз α- и β-Ba2ScAlO5 (табл. 1). Эмиссионно- активные вещества составов 2,4BaO·0,6CaO·0,5Sc2O3·0,5Al2O3 (13,2% (мас.) Sc2O3) и 2,6ВаО·1,9СаО·0,1Sc2O3·0,9Al2O3 (3,0% (мас.) Sc2O3) характеризу- ются наличием свободного оксида кальция, поскольку СаО не растворяется в соединении Ba2ScAlO5. В составе ЭАВ 2,6ВаО·1,9СаО·0,1Sc2O3·0,9Al2O3 фазы β-Ba2ScAlO5 и BaO2,4·CaO0,6·Al2О3 находятся в равных количествах. Эмиссионные активные вещества 3,6ВаО·0,4СаО·0,5Sc2O3· 0,5Al2O3 (9,9% (мас.) Sc2O3) с наибольшим содержанием оксида бария характеризуются нестабильным фазовым составом — количество фаз в ней может изменяться от двух до пяти: как правило, две фазы кубические и три анизотропные. На рис. 1 приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ) ScВа-МПК при температурах 1340 и 1180 К в зависимости от состава ЭАВ [6]. Определен оптимальный состав эмиссионно-активного вещества для ScВа-МПК 2,4BaO·0,6CaO·0,1Sc2O3·0,9Al2O3 с низкой гигроскопич- ностью и высокой воспроизводимостью эмиссионных характеристик, который состоит из двух фаз — Ва2,4Са0,6Al2О6 и β-Ва2ScAlO5. Работа выхода катодов на основе этого эмиссионно-активного вещества при температуре 1070 К в вакууме 10-4 Па равна 1,65—1,71 эВ, а долговечность составляет не менее 10 тыс. ч при температурах испытания 1230 и 1340 К и плотности тока 15—20 А/см2. Для сравнения: работа выхода WBa-МПК с ЭАВ состава 2,4BaO·0,6CaO·1,0Al2O3 — ϕэф = 2,14 эВ при температуре 1400 К. 127 Т а б л и ц а 1. Фазовый состав и кристаллооптические свойства фаз ЭАВ Фазовый состав ЭАВ Эмиссионно-активное вещество Петрографичес- кий метод Метод РФА 2,4ВаО·0,6СаО·1,0А12О3 Одна фаза. Зерна фазы изотропны, n = 1,78 BaO2,4∙CaO0,6∙Al2О3 2,4BaO·0,6CaO·0,1Sc2O3·0,9Al2O3 Основная фаза изотропная, n = 1,78. Неболь- шое количество (примесь) изо- тропной мелко- зернистой фазы, n > 1,834 BaO2,4∙CaO0,6∙Al2О3; β-Ba2ScAlO5 2,4BaO·0,6CaO·0,5Sc2O3·0,5Al2O3 Две изотропные фазы с очень мелким зерном, n = 1,83—1,84 β-Ba2ScAlO5; СаО 2,6ВаО·1,9СаО·0,1Sc2O3·0,9Al2O3 Две фазы: одна — изотропная мел- козернистая, n = = 1,82, вторая — анизотропная, n = = 1,82, постепен- но гидратирует β-Ba2ScAlO5; BaO2,4∙CaO0,6∙Al2О3; СаО 3,6ВаО·0,4СаО·0,5Sc2O3·0,5Al2O3 Содержит от 2 до 5 фаз. Две — изо- тропные и три — анизотропные, n ≥ 1,876 и n = 1,855 соответственно. Анизотропная (n ≥ 1,876) с низким двупреломлением очень быстро гидратирует α-і β-Ba2ScAlO5; BaO3-х∙CaOх∙Al2О6 3ВаО·2Sc2O3 — Ва3Sc4O9 2,4ВаО·0,6СаО·2Sc2O3 — Ва3Sc4O9; СаО Вольт-амперные характеристики ScВа-МПК с W-каркасом (рис. 2, кривые 1—5) отличаются особенностями, которые препятствуют приме- нению этих катодов в СВЧ ЭВП, а именно: 1) область перехода из режима ограничения тока пространственным зарядом в режим насыщения очень растянута (рис. 2), что свидетельствует о высокой эмиссионной неодно- родности эмитерного слоя; 2) непропорциональный рост плотности тока с 128 6 7 8 9 10 11 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 U1/2, кВ1/2 ln j ( j в m A/ см 2) 1 2 3 4 5 6 7 6 7 8 9 10 11 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 U1/2, кВ1/2 ln j ( j в m A /с м 2 ) 2 3 4 Рис. 1. Вольт-амперные характеристики WBa-МПК (зависимости ▲, ∆, ○) и ScВа-МПК (♦, ▲, ◊, □) при температурах 1340 (а) и 1180 К (б) для разных соста- вов ЭАВ: ▲ — 2,4ВаО·0,6СаО·1,0А12О3; ● — 2,4BaO· 0,6CaO·0,1Sc2O3·0,9Al2O3; ♦ — 2,4BaO·0,6CaO· 0,5Sc2O3·0,5Al2O3; ◊ — 2,6ВаО·1,9СаО·0,1Sc2O3· 0,9Al2O3; □ — 3,6ВаО·0,4СаО·0,5Sc2O3·0,5Al2O3; ∆ — 3ВаО·2Sc2O3; ○ — 2,4ВаО·0,6СаО·2Sc2O3. ростом температуры в области насыщения и отсутствие влияния температуры на ток при Т > 1230 К [4, 7]. Однако ВАХ ScВа-МПК на основе W- и W–80Re-каркасов при одинаковом составе ЭАВ — 2,4BaO·0,6CaO·0,1Sc2O3·0,9Al2О3 отличаются между собой [8]. Для ScВа-МПК на основе W–80Re-каркаса по сравнению с ScВа-МПК с W-каркасом (рис. 2) характерно: 1) снижение эмиссионной способности при Т < 1400 К; 2) уменьшение влияния электрического поля на ток в области насыщения; 3) пропорциональный рост тока в зависи- мости от температуры. Наиболее высокой эмиссионной способностью обладает ScВа-МПК, в котором Sс2О3 находится в пленке (рис. 3), включающей в ЭАВ 2,6ВаО·1,9СаО·0,1Sc2O3·0,9Al2O3, вольфрамат скандия Sc6WO12 и вольфрам [9, 10]. Такой катод с дополнительным мезоскопическим структурным а б ln j (j, м A /с м2 ) In j (j, м A /с м2 ) U1/2, кВ1/2 U1/2, кВ1/2 129 7.5 8.5 9.5 10.5 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 U1/2, кВ1/2 ln j ( j в m A/ см 2 ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Рис. 2. Вольт-амперные характеристики ScВа-МПК на основе ЭАВ 2,6ВаО·1,9СаО·0,1Sc2O3·0,9Al2O3 и W- (×, ×, ○, ∆, □) и W–80Re-каркасов (●, ♦, ▲, ■). Температура ScВа-МПК, К: × — 1125; × — 1180; ○, ● — 1230; ♦ — 1285; ∆, ▲ — 1340; □, ■ — 1390. уровнем имеет работу выхода ϕэф (950 К) = 1,29 и ϕэф (1000 К) = 1,34 эВ, плотность тока насыщения 100—140 А/см2 при температурах 1200— 1400 К и более 20 А/см2 — при 950 К. Долговечность такого ScВа-МПК составляет свыше 20 тыс. ч при температуре испытания 1150 К и плот- ности тока 10 А/см2 и не менее 2 тыс. ч — при плотности тока 80 А/см2 и температуре испытания 1250 К. Повышение функциональных характерис- тик ScВа-МПК обусловлено наноразмерной и гетерофазной структурой пленки и однородностью распределения кристаллов Sc2O3 в ней. Отличия ВАХ традиционных WBa-МПК и скандатных ScВа-МПК можно объяснить разными составом и структурой эмитерного слоя адсорбированных веществ [4, 7, 11—13]. В табл. 2 приведены системати- зированные данные состава эмитерного слоя, определенного методом Оже-спектрометрии в диапазоне температур 1250—1400 К. Эмиссионная способность каждого типа МПК при рабочих температурах соответствует оптимальному составу и структуре эмитерного слоя адсорбируемых веществ (табл. 2). Установлено, что оптимальным диапазоном рабочих температур ScВа-МПК является 1000—1340 К, в то время как для традиционных WBa-МПК — 1350—1450 К, а для МПК М-типа — 1250— 1350 К. Соответственно и процесс термической активации ScВа-МПК необходимо проводить при низших температурах, чем для WВа-МПК, и не превышать 1400 К. В отличие от ScВа-МПК, температура термической активации WВа-МПК более высокая и равна 1500—1550 К. Из табл. 2 следует, что эмитерный слой эмиссионно-активных ScВа-МПК с W-каркасом характеризуется величиной отношения амплитуд Оже-пиков Ва75/ВаО68 ≈ ≈ 0,59—1,4, то есть у них, в отличие от WBa-МПК, в эмитерном слое находится меньшее количество Ва относительно ВаО. Эмитерный слой U1/2, кВ1/2 In j (j, м A /с м2 ) 130 6 7 8 9 10 11 12 0,0 0,5 1,0 1,5 U1/2, кВ1/2 ln j ( j в m A /с м2 ) 1 2 3 4 5 6 Рис. 3. Вольт-амперные характеристики ScВа-МПК с дополнительным мезоскопическим структурным уровнем. Температура ScВа-МПК, К: ♦ — 950; ■ —1000; ◊ — 1050; ▲ — 1100; ○ — 1200; × — 1300. традиционных WBa-МПК характеризуется величиной отношения ампли- туд Оже-пиков Ва75/ВаО68 ≈ 1,9—2,5. Различие ВАХ ScВа-МПК с W- и W–80Re-каркасами можно объяснить тем, что основной вклад в эмиссионную активность ScВа-МПК с W–80Re- каркасом обеспечивает тонкий слой адсорбируемых веществ Ва, ВаО, Sс и Sc2O3, толщина которого близка к глубине выхода Оже-электронов из W и Re [4, 7, 8]. В случае ScВа-МПК с W-каркасом за высокую эмиссионную способность отвечают трехмерные кристаллиты (СаО—ВаО и Sc2O3), которые размещаются на меньшей площади зерен W. Можно предположить, что снижение эмиссионной способности и зависимости плотности тока от напряженности электрического поля в ScВа-МПК с W-80Re-каркасом обусловлено уменьшением количества трехмерных кристаллитов в эми- терном слое, в результате чего снизился вклад автоэлектронной эмиссии. Долговечность МПК зависит от времени сохранения оптимального состава и структуры эмитерного слоя адсорбируемых веществ (нано- структурный уровень), который возобновляется вследствие массопереноса атомов активных веществ из металлического каркаса. Анализ Оже- спектров показал, что основной причиной снижения эмиссионной способ- ности традиционных WBa-МПК с W–50Re-каркасом при испытаниях на долговечность при Тисп = 1555 К в течение tисп = 1000 ч является изме- нение оптимального химического состава и структуры эмитерного слоя адсорбируемых веществ [13]. Так, отношения Оже-пиков Ba590/W170 уменьшились почти в 2 раза, что свидетельствует об уменьшении площади, покрытой адсорбируемыми веществами ВаО и Ва (табл. 2). В то же время в эмитерном слое появляется Оже-пик СаО293, который указывает на деструкцию детерминированной структуры трехмерных кристаллитов ВаО—СаО. Основными процессами деструкции эмитерного слоя явля- ются: 1) испарение и десорбция адсорбируемых веществ; 2) ионная бомбардировка; 3) уменьшение поверхностной пористости и плотности пор в W-каркасе [14]; 4) образование и увеличение количества неактивных фаз в ЭАВ. In j (j, м A /с м2 ) U1/2, кВ1/2 131 Т а б л и ц а 2. Химический состав эмитерного слоя (отношение амплитуд Оже-пиков адсорбируемых веществ) при температурах 1250—1400 К исходных WBa-МПК и ScВа-МПК и после испытаний на долговечность WBa-МПК ScВа-МПК W-кар- кас W–50Re-каркас W-каркас W–80Re- каркас Отноше- ние амплитуд Оже- пиков Исход- ный Ис- ход- ный После испыта- ний Тисп = = 1555 К, tисп = = 1000 ч Исход- ный После испы- таний Тисп = = 1230 К, tисп = = 3300 ч Ис- ход- ный После испыта- ний Тисп. = = 1550 К, tисп = = 200 ч Ba75/BaO68 1,9—2,2 2,5 4,4 0,59—1,4 1,0—1,2 0,65 1,71 Ba75/W170 0,65 1,79 0,79 0,45—1,12 0,9—1 2,0 0,84 BaO68/W170 0,3—0,4 0,73 0,18 0,58—0,98 0,8—0,9 3,11 0,49 Ba590/W170 0,25—0,62 0,5 0,28 0,69—1,47 — 1,25 0,2 Sc336/W170 — — — 1,13—4,1 1,17—1,26 3,78 0,2 Sc336/Ba75 — — — 1,63—2,67 1,2—1,4 1,89 0,24 Sc336/BaO68 — — — 1,15—2,07 1,2—1,68 1,21 0,42 Sc336/Ba587 — — — 1,24—2,36 — 3 1,0 Исследование состава эмитерного слоя проведено на ScВа-МПК на основе W-каркаса и ЭАВ состава 2,4BaO·0,6CaO·0,1Sc2O3·0,9Al2O3 [11]. После испытаний на долговечность при температуре 1230 К в течение 3300 ч эмиссионная активность ScВа-МПК уменьшилась почти вдвое (рис. 4). Из табл. 2 следует, что отношения Оже-пиков BaO68/W170 и Ba75/W170 практически не изменились при незначительном росте отноше- ния Ba75/BaO68. Отсюда следует, что потеря эмиссионной способности ScВа-МПК вызвана лишь снижением содержания адсорбируемых веществ Sc и Sc2О3 на W. Ускоренное высокотемпературное испытание ScВа-МПК на основе W–80Re-каркаса при температуре Тисп = 1550 К в течение 200 ч [8] показало увеличение работы выхода и уменьшение плотности тока эмиссии в нулевом поле jo Е=0 в ~2 раза при 1390 К и в ~3 раза при 1230 К (рис. 5, табл. 3). Следует отметить, что температура испытания ScВа-МПК очень высокая, это привело к быстрой потере эмиссионных характеристик. Анализ Оже-спектров эмитерного слоя ScВа-МПК с W–80Re-каркасом после высокотемпературного испытания на долговечность показал, что основной причиной снижения эмиссионной способности ScВа-МПК являются следующие изменения в составе эмитерного слоя: рост величин отношений амплитуд Оже-пиков Ва75/ВаО68 и уменьшение отношений амплитуд Оже-пиков Sc336/Ba75, Ва75/W170, ВаО68/W170, O513/W170. Эти данные свидетельствуют об уменьшении площади, покрытой адсорби- руемыми веществами Ва, ВаО, Sc и Sc2O3. Следует отметить, что общей закономерностью снижения эмиссионной способности ScВа-МПК и WBa-МПК является существенное увеличение количества металличес- кого Ва по отношению к ВаО. 132 Анализ литературных источников показал, что существует две основные модели механизма эмиссии МПК — пленочная и кристаллитная, которые возникли вследствие разной интерпретации результатов исследований адсорбированного эмитерного слоя МПК, полученных разными методами. В основе пленочной (или адсорбционной) модели лежит положение об определяющей роли адсорбции атомов Ва в виде моноатомного слоя, который размещается на поверхности вольфрама, покрытого монослоем кислорода [15—20], что приводит к снижению величины работы выхода МПК. Однако эта модель не учитывает экспериментально установленный вклад оксидной фазы в формирование эмиссионных свойств МПК. Кристаллитная модель работы WBa-МПК базируется на том, что основной вклад в эмиссию МПК дают трехмерные кристаллиты оксидов ВаО—СаО [21—26]. Выявлено, что в процессе активирования WВа-МПК формируется эмитерный слой, его структура и состав характеризуются дискретной структурой — моноатомными пленками Ва—О и трехмер- ными кристаллитами ВаО—СаО, структура которых не является смесью кристаллов оксидов, а детерминирована — кристаллы ВаО располагаются на поверхности кристаллов СаО [13]. 7,5 8,5 9,5 10,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 U 1/2, кВ1/2 ln j (j, m A/ см 2 ) Рис. 4. Вольт-амперные характеристики исходного (сплошные кривые) ScВа-МПК на основе W-каркаса и ЭАВ 2,4BaO·0,6CaO·0,1Sc2O3·0,9Al2O3 и после испытания на долговечность при Тисп = 1230 К и tисп = 3300 ч (штриховые кривые). Температура ScBa-МПК, К: ○ — 1240; ■ — 1300. 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 U 1/2, кВ1/2 ln j (j , m A/ см 2 ) Рис. 5. Вольт-амперные характеристики исходного (сплошные кривые) ScВа-МПК с W–80Re-каркасом и после испытания на долговечность при Тисп = 1550 К и tисп = 200 ч (штриховые кривые). Температура ScВа-МПК, К: 1 — 1230; 2 — 1285; 3 — 1340; 4 — 1390. In j (j, м A /с м2 ) U1/2, кВ1/2 In j (j, м A /с м2 ) U1/2, кВ1/2 146 Т а б л и ц а 3. Плотность тока эмиссии в нулевом поле jo Е=0 и работа выхода электронов ϕэф ScВа-МПК с W–80Re-каркасом при температурах 1230—1340 К в начале и после испытаний на долговечность при Тисп = 1550 К и tисп = 200 ч jo Е=0, А/см2 ϕэф, эВ Т, К исходный после испытаний исходный после испытаний 1230 2,14 0,80 1,93 2,04 1285 3,50 1,63 1,98 2,06 1340 6,06 3,60 2,01 2,07 Среди исследований механизма работы МПК особо следует отметить работу В. И. Капустина, в которой предложена теория эмиссии оксидов [27]. В ней обобщены и развиты представления обеих моделей электронной эмиссии МПК в рамках единого научного подхода об определяющей роли кислородных вакансий в объеме и на поверхности оксидной фазы. Сравнительные исследования катодных материалов W + 2,5BaO∙0,4CaO∙Al2O3 + 5Sc2O3 и W + 2,5BaO∙0,4CaO∙Al2O3 [28], прове- денные методом электронной спектроскопии высокого разрешения, показали, что при наличии в составе МПК оксида скандия происходит уширение электронных уровней бария в оксиде бария. Это свидетель- ствует о переходе бария в присутствии легирующих ионов скандия в состояние с более широким спектром степеней окисления по сравнению со степенями окисления бария в присутствии ионов алюминия в случае использования ЭАВ на основе алюминатов бария. Авторы предположили, что ионы скандия обладают более высокой растворимостью по сравнению с ионами алюминия в оксиде бария, что способствует формированию катионных вакансий и донорных поверхностных состояний в оксиде бария. Исследования электронной структуры традиционных катодов с ЭАВ составов 2,5BaO·0,4CaO·Al2O3 и 2,5BaO·0,4CaO·Sc2O3 методами спектроскопии оптического поглощения и характеристических потерь энергии электронов [29] выявили, что концентрация кислородных вакансий в МПК на основе скандата бария в 1,62 раза меньше, чем в МПК на основе алюмината бария. Этой причиной объяснена более низкая эмиссионная способность МПК на основе скандата бария по сравнению с МПК на основе алюмината бария-кальция. Алюминатная фаза в МПК обеспечивает формирование кристаллитов оксида бария с высокой концентрацией кислородных вакансий, а скандатная — легирование кристаллитов оксида бария атомами скандия, снижающими работу выхода электрона. Это позволило авторам работы [29] сформулировать физико- химическую модель работы скандатного катода, которая основана на следующих положениях: 1) примесные атомы скандия в кристаллитах оксида бария, являющихся основными центрами термоэмиссии катодов, располагаются во второй координационной сфере по отношению к кислородным вакансиям в оксиде бария и формируют наноразмерные диполи, появление которых на поверхности оксида бария приводит к снижению работы выхода; 2) именно алюминатная фаза в составе катода обеспечивает формирование кристаллитов оксида бария с высокой 147 концентрацией кислородных вакансий, поэтому наличие превалирующего содержания данной фазы в составе катода является обязательным. В связи с этим авторы объясняют известное ограничение содержания скандатной фазы в составе скандатных катодов 4—5%. Однако следует обратить внимание на то, что в составе синтезиро- ванных ЭАВ [6] находятся соединения α- и β-Ba2ScAlO5, которые сами по себе являются анион-дефицитными перовскитоподобными фазами [30, 31] и, таким образом, могут представлять интерес как самостоятельные эмиссионно-активные центры, находящиеся в порах каркаса, с более низкой работой выхода. Проанализированные работы дают представление о современном состоянии изучения процессов структурных и фазовых превращений и формирования функциональных характеристик при получении МПК. Неполнота изучения состава и структуры эмитерного слоя адсор- бируемых веществ вызвана многофакторностью влияния химического и фазового составов металлического каркаса, ЭАВ и пленки, а также техно- логических условий изготовления МПК на процессы его образования, с одной стороны, а с другой — экспериментальными трудностями комплек- сного анализа наноразмерной структуры адсорбируемого эмитерного слоя. Основные методы и приборы для анализа электронной структуры и химического состава эмитерных слоев МПК появились недавно, они дорогостоящие и не всегда доступны. Кроме того, такой анализ требует особенных условий исследования — температуры 1200—1500 К и высокого вакуума из-за высокой чувствительности эмитерного слоя к загрязнению. Поэтому исследование связи эмиссионных характеристик со структурой эмитерного слоя МПК необходимо проводить в одной камере при постоянной температуре в течение сотен и даже тысяч часов для того, чтобы не нарушить структуру и состав эмитерного слоя, который существует при высокотемпературном динамическом равновесном состоя- нии и его нельзя сохранить при низшей температуре. В этой связи до настоящего времени остаются дискуссионными вопросы об электронной структуре адсорбируемых веществ в эмитерном слое, его структуре и составе на атомно-молекулярном и наноструктурном уровнях в МПК. 1. Гетьман О. И. Принципы структурной инженерии импрегнированных металлопористых катодов / О. И. Гетьман, В. В. Скороход // Порошковая металлургия. — 2014. — № 11/12. — С. 104—131. 2. Cronin J. L. Modern dispenser cathodes // IEEЕ Proceedings. — 1981. — 128, No. 1. — P. 19—32. 3. Кудинцева Г. А. Термоэлектронные катоды / [Г. А. Кудинцева, А. И. Мель- ников, А. В. Морозов и др.]. — М.—Л. : Энергия, 1966. — 368 с. 4. Шнюков В. Ф. Влияние скандия на свойства металлопористых катодов / [В. Ф. Шнюков, А. Е. Лушкин, О. И. Гетьман и др.] // Изв. РАН. Физика. — 1994. — 58, № 10. — С. 171—175. 5. Набоков Ю. И. Исследование эмиссионных свойств, долговечности и элементного состава поверхности скандиевых металлопористых катодов / Ю. И. Набоков, В. В. Свинцов // Электронная техника. Электроника СВЧ. — 1991. — Вып. 8 (442). — С. 32—38. 6. Гетьман О. И. Влияние фазового состава барий-кальциевых алюмоскандатов на эмиссионные характеристики импрегнированных катодов / [О. И. Гетьман, 148 С. П. Ракитин, В. В. Паничкина, З. П. Рудь] // Порошковая металлургия. — 2000. — № 11/12. — C. 75—82. 7. Ракітін С. П. Вивчення механізму емісії високострумових імпрегнованих скандатних катодів / [С. П. Ракітін, В. В. Панічкіна, О. І. Гетьман та ін.] // Фундаментальні орієнтири науки. — К. : Академперіодика, 2005. — С. 224—238. 8. Bekh I. I. Influence of matrix material on the mechanism of emission from Sc—Ba impregnated thermionic emitters / [I. I. Bekh, O. I. Getman, V. V. Il’chenko et al.] // Ukrainian J. of Phys. — 2009. — 54, No. 3. — P. 297—302. 9. Пат. 10312 України. Металопористий катод / М. Я. Васильчук, С. П. Ракітін, О. І. Гетьман. — Опубл. 25.12.1996. Бюл. № 4. 10. Гетьман О. И. Микроструктурное проектирование скандатных импрегниро- ванных металлопористых катодов // Наноструктурное материаловедение. — 2014. — № 3—4. — С. 36—41. 11. Гетьман О. И. Химический состав эмитирующей поверхности скандатных катодов до и после испытаний на долговечность / [О. И. Гетьман, И. И. Бех, А. Е. Лушкин и др.] / Тез. докл. Междунар. конф. “Современное материаловедение: достижения и проблемы” (26—30 сентября 2005, г. Киев), Украина, 2005. — С. 485—486. 12. Гетьман О. И. Влияние микроструктуры на механизм эмиссии металлопо- ристых вольфрамобариевых катодов / [О. И. Гетьман, А. Е. Лушкин, В. В. Па- ничкина, С. П. Ракитин] // Порошковая металлургия. — 2005. — № 11/12. — С. 97—108. 13. Гетьман О. И. О причинах низкой эмиссионной способности металло- пористых катодов / [О. И. Гетьман, А. Е. Лушкин, В. В. Паничкина и др.] // Изв. РАН. Физика. — 1994. — 58, № 10. — С. 76—79. 14. Гетьман O. И. Стабилизация микроструктуры вольфрамовых каркасов металлопористых катодов / O. И. Гетьман, В. В. Скороход, Н. А. Крылова // Электрические контакты и электроды. ― К. : Ин-т пробл. материаловедения НАН Украины, 2014. ― С. 102—111. 15. Rittner E. C. On the mechanism of operation of the type В impregnated cathode // J. Appl. Phys. — 1977. — 48, No. 10. — P. 4344—4352. 16. Forman R. A proposed physical model for the impregnated tungsten cathode based on auger surface studies of the Ba—O—W system // Appl. of Surf. Sci. — 1979. — 2, No. 2. — P. 258—274. 17. Forman R. Correlation of electron emission with changes in the surface concentration of barium and oxygen on a tungsten surface // Ibid. — 1984. — 17. — P. 429—462. 18. Lamartine B. C. AES-RGA investigations of various types of cathodes during activation in ultrahigh vacuum / B. C. Lamartine, W. V. Lampert, T. W. Haas // Ibid. — 1981. — 8. — Р. 171—184. 19. Marrian C. R. K. The characterization of the surfaces of tungsten — based dispenser cathodes / C. R. K. Marrian, A. Shih, G. A. Haas // Ibid. — 1983. — 16, is. 1—2. — P. 1—24. 20. Haas G. A. Interpretation of AES data of impregnated cathodes / G. A. Haas, C. R. K. Marrian, A. Shih // Ibid. — 1985. — 3/4. — P. 430—446. 21. Ahmed H. Thermionic emission from dispenser cathodes / H. Ahmed, A. H. W. Beck // Ibid. — 1963. — 34, No. 4. — Р. 997—998. 22. Дружинин А. В. Эмиссионная неоднородность эффективных термокатодов / А. В. Дружинин, Ю. А. Кондрашенков, В. И. Некрасов // Изв. АН СССР. Физика. — 1969. — 33, № 3. — С. 413—420. 23. Гурков Ю. В. Эмиссионно-микроскопическое и рентгеноспектральное иссле- дование поверхности металлопористого катода / [Ю. В. Гурков, А. В. Дружи- нин, Т. А. Куприянова и др.] // Изв. АН СССР. Физика. — 1974. — 38, № 11. — C. 2270—2274. 149 24. Некрасов В. И. Исследование распределительных термокатодов в отража- тельном микроскопе / [В. И. Некрасов, Л. Б. Розенфельд, А. В. Дружинин и др.] // Изв. АН СССР. Физика. — 1970. — 34, № 7. — С. 1509—1512. 25. Бахтияров Р. С. Электронно-микроскопическое исследование прессованных термоэмиттеров на основе скандатов бария / Р. С. Бахтияров, Б. Б. Шишкин // Радиотехника и электроника. — 1971. — 16, вып. 2. — С. 450—451. 26. Бахтияров Р. С. Комплексное электронно-оптическое исследование эффективных термокатодов / Р. С. Бахтияров, Б. Б. Шишкин // Журн. техн. физики. — 1972. — 42, вып. 10. — С. 2229—2238. 27. Капустин В. И. Физико-химические основы создания многокомпонентных оксидсодержащих катодных материалов // Перспективные материалы. — 2000. — № 2. — С. 5—17. 28. Капустин В. И. Физико-химические особенности "скандатных" катодных материалов / [В. И. Капустин, И. П. Ли, Н. Е. Леденцова и др.] // Наукоемкие технологии. — 2014. — № 11. — С. 40—49. 29. Капустин В. И. Электронная структура поверхности и объема оксидной фазы материалов катодов СВЧ приборов / [В. И. Капустин, И. П. Ли, В. И. Свитов и др.] // Электромагнитные волны и электронные системы. — 2016. — 21, № 1. — С. 66—73. 30. Шпаченко Р. В. Кристаллическая структура β-Ba2ScAlO5 / [Р. В. Шпаченко, Е. В. Антипов, Л. Н. Лыкова и др.] // Вестник Московского ун-та. Химия. — 1990. — 31, № 6. — С. 555—558. 31. Антипов Е. В. Кристаллическая структура α-Ba2ScAlO5 / [Е. В. Антипов, Р. В. Шпаченко, Л. Н. Лыкова и др.] // Кристаллография. — 1990. — 35, вып. 1. — С. 213—214. Особливості структури емітерного шару та емісійних характеристик імпрегнованих скандатних металопористих катодів нового покоління О. І. Гетьман Узагальнено дані досліджень формування складу і структури емітерного шару адсорбованих речовин і емісійних характеристик імпрегнованих традиційних і скандатних металопористих катодів після термічної активації і випробувань на довговічність залежно від параметрів структурних елементів (металічного каркасу, емісійно-активної речовини і плівки). Ключові слова: імпрегнований скандатний металопористий катод, вольт- амперні характеристики, емісійно-активна речовина. The features of structure emiter layer and emission characteristics of impregnated scandate cathodes of the new generation O. I. Getman These researches of forming of composition and structure of the adsorbed matters layer and emission сharacteristics of traditional and impregnated barium scandate cathodes are generalized depending on the parameters of structural elements (metallic carcass, emission-active matter and film) after the thermal activating and tests on life. Keywords: impregnated scandate cathode, voltage-current characteristic, emission- active matter.

Similar Items