Термоэлектронный катод

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветсникСоциалистмчесникРеспублик 11 813529(53) УДК 621 385 . 032.213 (088.8) Опубликовано 15.03.81. Бюллетень1 ОДата опубликования описания 25.03.81 по делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретени рудового Красного Знамени инсти и электроники АН СССР(71) Заявител ОЭЛЕКТРОННЫЙ КАТОД Изооретение относится к эмиссионнои электронике и может быть использовано для получения термокатодов электронных и ионных приборов различных типов.Известны термоэлектронные катоды на основе окислов щелочноземельных, редкоземельных и других металлов, используемых в виде металлокерамики с никелем, молибденом, танталом и др. 1.Ближайшим к предлагаемому является термоэлектронный катод, представляющий собой смешанный тройной оксид (Ьа-Ьг-Са) - 0 (активное покрытие), нанесенный на никелевый керн, содержащий такие присадки как %, Я, Ас, Хг, Мд, Ве, Рабочая температура катода составляет 700 - 850 С, а плотность тока эмиссии, в зависимости от режима отбора тока и требуемого ресурса работы, может составлять от одного милли- ампера с кв. см до десятков и даже сотен ампер с кв. см поверхности катода. Такой катодобладает самой низкой рабочей температурой и наибольшей эффективностью (отношение тока эмиссии к рабочей температуре) по сравнению с другими известными в. настоящее время катодами. Она составляет 2 10= 6 10мА/смград 12. 2Однако для ряда приложений указаннаяэффективность является недостаточной.Цель изобретения - повышение эффективности эмиссии катода путем пониженияконтактного барьера между керном и покрытием и уменьшения вероятности образо 5вания запорного контакта, ограничивающегопоступление электронов из керна в активноетермоэмиссионное покрытие.Для достижения поставленной цели вкатоде, содержащем керн и нанесенное на10 него активное покрытие, между керном иактивным покрытием введена прослойка,содержащая соединение щелочного металла,не входящего в состав покрытия. Крометого, прослойка может быть выполнена изсмеси металлического порошка и соединения15щелочного металла или из металлическойгубки, в порах которой расположено соединение щелочного металла. В качестве соединения щелочного металла могут бытьиспользованы алюмосиликаты или (-алюминаты. Прослойка может быть выпал ненаиз термостойкого полупроводника,На фиг. 1 показана зонная диаграммаполупроводника; на фиг. 2 - механизм образования запорного контакта между керном3и покрытием; на фиг. 3 - возможностьтуннелирования электронов сквозь покрытие в предлагаемом катоде.Окислы, используемые обычно в качестве материала активного покрытия, обладают, как правило, полупроводниковой проводимостью, и их термоэлектронная работа выхода 5 определяется расстоянием от уровня Ферми ло уровня вакуума, т, е. Я = х +, где хэлектронное сродство полупровоЛ- ника, а Е - расстояние между уровнем Фер-ми й и дном зоны пРоводимости Ес. На 10 фиг, 1 показана зонная диаграмма полупроводника, поясняющая эти соотношения (Е -- потолок валентной зоны).чЗначительный ток эмиссии таких катодов достигается при их активировании (термообработке с последуюц 1 им отбором тока), вызывающем понижение термоэлектроннойработы выхода катодного материала, как за счет уменьшения х, так и за счет уменьшени 51.20При активировании происходит восстановление окисла металлом керна или введенными в него присадками (Я, А 1"%,Мд, Хг, Ве и др.) с образованием стехиометрического избытка металла окисла (иливакансий кислорода), которые служат лонорами в окисной системе, обуславливаясмешение уровня Ферми к дну зоны проводимости, т. е. уменьшение. Одновременнов результате диффузии образовавшихсяизбыточных атомов к поверхности проис.:.: -лит понижение х за счет ооразования на30поверхности окисла электроположительноголвойного слоя.Достигаемая В результате с 1 ктив 1 рова 11 иясравнительно низкая работа выхода католного материала (8 - 1,3=1,4 эВ лля оксилного катода (Ва,-5 г,-Са)=0 при Т = 600700 К) затрудняет получение безбарьерногоконтакта к активному катодному покрытию.Как известно, высота контактного барьера на границе металл-полупроводник определяется соотношением 40Ч =- ф --+ 1; = Ф - х,где ф- - работа выхода металла. Следовательно, например, в случае 1 Х 11 (Ф = 4,8 эВ)или Мо (ф = 4,27 эВ), согласно этому соотношению, величинабудет составлять45",Ь 3,5 эВ (считая, что х лля оксидного катодаравно - 0,3 эВ), т. е. электронная эмиссиякатода будет лимитироваться не работойвыхода эмиттируюшей поверхности 8, авысотой контактного барьера У 5 (фиг. 3),которая и будет определять эффективность 0эмиссии.Резервом повышения эффективностиэмиссии термоэлектронного катода являетсясоздание условий для понижения контактного барьера между керном и покрытием, уменьшение вероятности образования запорногоконтакта, ограничивающего поступлениеэлектронов из керна в активное термоэмиссионное покрытие. Эти условия реализуются 4в том случае, когда материал керна обладает малой работой выхода, близкой к работе выхода активного покрытия.Известно, что эффективным средством понижения работы выхода металла является адсорбция на его поверхности атомов электроположительных элементов, особенно атомов щелочных металлов. Так, работа выхода никеля при адсорбции на его поверхности примерно одного монослоя цезия понижается от Ф = 4,8 эВ (для чистого %) до ф - 1,6 эВ (для %-Сэ), а работа выхода вольфрама от ф = 4,5 эВ (для чистого %) до Ф =- 1,36 эВ (лля %-Сз). Адсорбция других щелочных металлов (Ы, 1 х)а, К, 1 хЬ) приводит к меньшему понижению работы выхода, чем в случае цезия.Таким образом, выбор керна, из никеля или какого-либо другого металла с адсорбированным на его поверхности слоем цезия (или другого шелочного металла) устранит образование запорного контакта на границе керн-покрытие (фиг. 3).Та же цель достигается при использовании в качестве прослойки полупроводника (например баАз, .1 и лр.) со сниженной работой выхода (до 81,0-1,4 эВ) посредством адсорбции атомов электроположительных элементов (Сз, СзО, Ва, ВаО и др.).Пример . Керн-подложка с пониженной работой выхода, не допускающей образования запорного контакта, может быть выполнена в виде массивного металлического керна, например, из никеля (лля оксилного катода) или из молибдена (для оксидно-иттриевого катода), к торцу которого перел нанесением активного покрытия припекается смесь никелевого (молибленового, вольфрамовогб) порошка с алюмосиликатами,-алюминатами щелочных металлов, преимугцественнно цезия, эмиттируюшими ионы щелочных металлов п 51 и нагреве.Пример 2. Заранее изготавливают губчатый катод, в поры которого по обычной технологии втирают порошки указанных выше соединений щелочных металлов. Имеющийся в керне запас соединений цезия обеспечивает поступление его к поверхности при его испарении в процессе длительной работы.Пример 3. Прослойка выполнена из термостойкого полупроводника (с температурой плавления, большей рабочей температуры покрытия), обработанного Сэ, СзО, Ва, ВаО и т. д, с целью понижения его работы выхода до значений, близких к работе выхода покрытия. Как известно, работа выхода системы полупроводник-Сэ (Ва, СаО, ВаО и др.) может составлять 1,4 - 1,0 эВ, что близко к работе выхода оксидного катода. В этом случае контактный барьер, определяемый разностью работ выхода активного покрытия и керна, будет минимальным, либо вообще будет отсутствовать.85Достижение более высокой эффективнос. ти эмиссии позволяет понизить рабочую температуру катода, что приводит к увеличению ресурса его работы, и, тем самым, ресурса электронного (ионного) прибора в целом, так как известно, что срок службы таких приборов определяется в основном сроком службы их катодов.Кроме того, использование предлагаемого катода позволяет повысить ".адежность приборов и стабильность их параметров и характеристик.Формула изобретения1. Термоэлектронный катод, содержащий керн и нанесенное на него активное покрытие отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности эмиссии, между керном и активным покрытием введена прослойка, содержащая соединение щелочного металла, не входящего в состав покрытия. 1352962. Катод по п. 1, отличающийся,тем, что,прослойка выполнена из смеси металлического порошка и соединения щелочного металла.3. Катод по п. 1, отличающийся тем,что прослойка выполнена из металлическойгубки, в порах которой расположено соединение щелочного металла.4. Катод по пп. 2 и 3, отличающийсятем, что в качестве соединения щелочногометаЛла использованы алюмосиликаты или10,"1-алюминаты.5. Катод по п. 1; отличающийся тем, чтопрослойка выполнена из термостойкого полупроводника.Источники информации,15принятые во внимание при экспертизе1. Добрецов Л. Н. и Гомоюнова М. В.Эмиссионная электроника. М., Наука;1966, с. 221.2. Кудинцева Г. А. и др. Термоэлектронные катоды. М.-Л., Энергия, 1966; с. 36(6 оставитель Г. Журед А. бойкасраж 784дарственного коизобретений иЖ - 35, Раушскнт, г. Ужгород,И ПИ Госу по делам Москва,ППП Пате