Курсовая работа: Расчет и конструирование катодного узла
В-третьих, в пределах температуры катода его вещество должно обладать высокой механической прочностью и достаточно высокой электропроводностью, допускающей отбор тока эмиссии большой плотности и без заметных потерь, вызывающих дополнительный нагрев катода этим током. [1]
По способам нагрева термоэлектронные катоды можно подразделить на прямонакальные, подогревные и с электронным подогревом:
В прямонакальном катоде ток накала проходит непосредственно по телу катода.
В случае подогревного катода нагрев осуществляется специальным подогревателем за счет лучеиспускания или теплопроводности изолирующего покрытия подогревателя, через который пропускается ток накала.
Катод с электронным подогревателем нагревается в результате бомбардировки его ускоренными в электрическом поле электронами. Для этого требуется дополнительный, обычно прямонакальный, катод и наличие разности потенциалов между катодами.
По материалам и структуре активного слоя современные термоэлектронные катоды можно подразделить на 5 групп:
I группа – катоды из чистых металлов;
II группа – пленочные катоды;
III группа – полупроводниковые катоды;
IV группа – гексаборидные катоды;
V группа – сложные катоды;
Особую группу представляют собой катоды, для которых эмитирующими электроны веществами являются различного рода тугоплавкие соединения, принадлежащие с кристаллографической точки зрения к так называемым структурам внедрения, (которые по электропроводности чаще всего соответствуют металлам, реже – полупроводникам, представляя в этом отношении особую переходную группу между металлами и полупроводниками, называемых иногда полуметаллами). К этим веществам относятся соединения металлов с такими элементами, как углерод (карбиды) и бор (бориды). Из подобных соединений, уже нашедших практическое применение в электровакуумной технике и, в частности, в разборных приборах, а также в разработках генераторных ламп, можно назвать гексабориды лантана и цермишметалла, являющиеся одними из наиболее активных среди многих исследованных до сих пор соединений этого типа. [1]
1. Гексаборидные катоды
1.1 Свойства боридов
Бор, азот, кремний, углерод образуют с металлами переходных групп соединения, которые не подчиняются законам химической валентности и по многим свойствам напоминают металлы. Все эти соединения получили название: металлоподобные. Исследование эмиссионных свойств металлоподобных соединений показало, что некоторые из них могут быть использованы в качестве источников электронов. К числу таких соединений следует отнести в первую очередь гексабориды редкоземельных и щелочноземельных металлов, а также некоторые дибориды.
Эмиттеры на основе боридов имеют, как правило, высокую рабочую температуру и сравнительно низкую экономичность, но все-таки они представляют значительный интерес благодаря устойчивости к отравлению остаточными газами.
Бориды являются тугоплавкими, трудно летучими и химически стойкими веществами. Температура плавления гексаборидов лежит в интервале 2100-2600 град.С. Характерной особенностью боридов является присущая им большая твердость, которая может быть объяснена наличием громадных сил сцепления в кристаллах. Эти соединения трудно поддаются холодной обработке обычным способом.
Большинству боридов присущи ярко выраженные металлические свойства: они имеют металлический блеск, хорошо проводят электрический ток, причем температурный коэффициент сопротивления у них положителен, как у металлов.
Химически бориды, как правило, устойчивы по отношению к воздействию большинства минеральных кислот даже при нагревании. Кислород на холодные бориды не воздействует.
В термодинамическом отношении бориды более устойчивы, чем карбиды.
При нагревании в контакте с металлами и многими тугоплавкими соединениями бориды диффундируют в металл и располагается в междуузлиях его решетки, образуя низшие бориды и сплавы. Обследовано большое количество систем боридов – тугоплавкий металл и его соединение. Наиболее активными из боридов по отношению к металлам являются гексабориды.
В настоящее время исследованы эмиссионные свойства почти всех редкоземельных и щелочноземельных элементов. Среди гексаборидов редкоземельных металлов наиболее перспективным веществом является гексаборид лантана, именно он чаще всего применяется в настоящее время для изготовления катодов.
На примере гексаборида лантана ниже будет описана техника изготовления катода и особенность его применения.
1.2 Изготовления катода гексаборида лантана
Катоды с гексаборидом лантана изготовляют из порошка путём нанесения его на металлическую подложку или прессования при Т=1920 К. Большая рабочая температура ограничивает срок службы катода вследствие перегорания подогревателя.
При изготовлении губчатых катодов в качестве подложки используют тантал или молибден, так как они меньше других тугоплавких металлов взаимодействуют с гексаборидом лантана. Меньше всех реагирует с последним дисцилид молибдена MoSi2 , обладающий металлической проводимостью. Поэтому целесообразно покрывать этим соединением подложку для предотвращения её разрушения.
Прессованные катоды изготовляют из порошков LaB6 и W. Спекание производят в вакууме или водороде при Т=1650-2300 К в зависимости от требуемой механической прочности. Давление прессования не превышает 10 т/см2 .
Максимальная прочность достигается при горячем прессовании, когда давление не превышает 200 кг/см2 , а температура составляет 2200-2300 К,. прессование желательно производить в защитной атмосфере.
Катоды можно изготовлять из расплавленного гексаборида лантана, который расплавляют плазменным методом. Механическую обработку осуществляют электроискровым методом с последующей химической очисткой. Необходимый контакт между изготовленной таблеткой и металлической подложкой производят пайкой с добавкой дисцилида молибдена.