Матеріали емісійні

Визначення і загальна характеристика

МАТЕРІА́ЛИ ЕМІСІ́ЙНІ — матеріали, з поверх­ні яких під впливом зовнішніх чин­ників (електромагнітних полів; опроміне­н­ня падаючими електронами, іона­ми, фотонами; на­гріва­н­ня; механічних деформацій) від­бувається процес виходу електронів — явище електрон­ної емісії. Їх використовують як матеріали емітерів (катодів), які є без­посеред. джерелами електронів у різних електровакуум. і газонаповнених приладах, електрон. мікро­скопах, плазмотронах, компʼютер. рентґенів. томо­графах, електроре­актив. двигунах авіац.-косміч. техніки та ін. Залежно від походже­н­ня причини, що викликає електрон­ну емісію, роз­різняють авто­електрон­ну, вторин­ну електрон­ну, іонно-електрон­ну, фото­електрон­ну, термо­електрон­ну й екзо­електрон­ну емісії. Авто­електрон­на емісія — вихід електронів під дією електр. поля, у якому знаходиться катод. Проявляється за рахунок тунел. ефекту та в сильних електр. полях при досить малих радіусах кривизни неоднорідностей структури поверх­ні. Її використовують в електрон. мікро­скопах, FED-дис-плеях, деяких видах газ. лазерів тощо. Вторин­на електрон­на емісія — вихід електронів із поверх­ні твердого тіла під час бомбардува­н­ня пучком первин. електронів. Ефективні емітери для цього виду емісії належать до напів­провід­ників і ді­електриків. На явищі вторин. електрон. емісії базується робота електрон. по­множувачів, а також метод дослідж. структури поверх­ні тіла в растровій електрон. мікро­скопії. Іонно-електрон­на емісія — вихід електронів під дією пучка іонів, що падають на поверх­ню. За­стосовують у газонаповнених приладах, плазмотронах та ін. Фото­електрон­на емісія (зовн. фотоефект) — вихід електронів під дією світла, що падає на поверх­ню. Використовують у фотоелек­трон. по­множувачах, вакуум. і газонаповнених фото­елементах, електрон­но-оптич. пере­творювачах. Найрозпо­всюдженішими М. е. для вакуум. фото­елементів є речовини, до складу яких входять лужні метали: Cs₃Sb, Ag–O–Cs, Na–K–Sb та ін. Термо­електрон­на емісія — вихід електронів із поверх­ні тіл, на­грітих до високих т-р, за рахунок внутр. енергії. На явищі термо­електрон. емісії ґрунтується робота електрон­но-променевих трубок, при­скорювачів заряджених частинок, плазмотронів, вакуум. ламп, вакуум. приладів надвисоких частот, рентґенів. трубок, зварювал. апаратів. Екзо­електрон­на емісія — вихід електронів з поверх­ні твердих тіл, що за­знали мех. деформацій, а також під дією ультрафіолет. або рентґенів. ви­промінюва­н­ня. М. е. характеризуються такими властивостями: мала робота виходу електрона, забезпече­н­ня для даного приладу необхід. значе­н­ня емісій. струму, низька швидкість випаровува­н­ня емісійно-актив. компонент, стабільність емісій. характеристик у часі, мех. міцність, технологічність та інертність до дії актив. середовищ, в яких від­бувається екс­плуатація матеріалу. Емісійними можуть бути різні матеріали: металічні (з метал. типом звʼязку), металоподібні (з ковалентно-металіч. типом звʼязку), напів­провід­ники та ді­електрики (з іон­ним і ковалент. типом звʼязку). Залежно від природи та методу отрима­н­ня матеріалу, з якого виготовлено емісій. елемент, їх поділяють на оксидні, металічні та метало­сплавні, а також матеріали на основі тугоплавких сполук. У робочому стані традиц. оксид. емітер — шар із суміші кри­сталів оксидів Ba, Sr та Ca, що поміщений на метал. під­кладку (керн). Пере­вагами таких М. е. є невисока робоча температура, а отже й мін. спожива­н­ня потужності, що витрачається на на­гріва­н­ня, мін. ро­зі­гріва­н­ня середовища, в якому пере­буває емісій. елемент, і висока ефективність. Для них характерні триваліший термін дії, простота виготовле­н­ня, від­носна дешевизна, добра від­творюваність властивостей, малий час ро­зі­гріва­н­ня катод. вузла, високі значе­н­ня електро- і тепло­провід­ності покри­т­тя, низький рівень низькочастот. і дробових шумів. Унаслідок процесів терміч. дисоціації або хім. від­новле­н­ня оксидів на поверх­ні та в обʼємі емітера зʼявляється надлишок атомів лужноземел. металу, що забезпечує необхідну електро­провід­ність та термо­­електрон­ну емісію. Емісійна активність такої поверх­ні об­умовлена конкуренцією процесів дифуз. по­стача­н­ня атомів металу (напр., Ba) на емітуючу поверх­ню (перед­усім через роз­винуту систему пор) і десорбції їх із поверх­ні. Недоліками традиц. оксид. емітерів є те, що через за­грозу отрує­н­ня залишк. газами атмо­­сфери зʼявляється необхідність отрима­н­ня високого вакууму в зоні катод. вузла, що зумовлює від­повід­но під­вище­н­ня робочої температури емітера для зменше­н­ня спаду термоемісій. струму у разі погірше­н­ня вакууму, як наслідок знижується довговічність емітера; він є недо­статньо стійкий до іон­ного і зворот. електрон. бомбардува­н­ня; його неможливо використовувати в потуж. електрон. при­строях при великій напрузі. Металооксидні пресов. емітери — металічна під­кладка (іноді з активуючими присадками), на яку на­пресовують суміш порошків металу (або сплаву металів) і емісійно-актив. речовини — твердого роз­чину карбонатів лужноземел. металів. Як під­кладки пере­важно використовують Ni, а також Mo, W, Ta, Co, сплави Ni–Fe та ін. металів. На­пресува­н­ня здійснюють порошками різної дис­персності Ni, Co, W, Pt, Ir, Os, Pd, Re, Th, Hf та їхніх сплавів. Робочі температури таких емітерів 1223–1373 К. Металевопористі емітери обʼ­єд­нують велику кількість композиц. емітерів і є багатофаз. системами, що складаються з метал. матриці (губки), в порах і на поверх­ні якої знаходиться емісійно-активна речовина. Матрицю виробляють здебільшого з порошків W, Re, Mo та їхніх сумішей, за емісійно-активну речовину використовують алюмінати, вольфрамати, танталати, силікати, скандати, гафнати або ренати лужноземел. металів, пере­важно Ba, Sr, Ca, рідше оксиди рідкісноземел. металів. Камерні емітери (L-емітери) — за­пресована в молібден. корпус вольфрам. губка (пориста пере­городка), під якою знаходиться емісійно-активна речовина. Просочені (ім­прегновані) емітери отримують просоче­н­ням металіч. губки (пере­важно з W) роз­плавом емісійно-актив. речовини, напр., зануре­н­ням губки у роз­плав. Пресов. металевопористі емітери виготовляють пресува­н­ням ретельно пере­мішаної суміші порошків тугоплав. металів з емісійно-актив. речовиною (такі ж самі, що й для металевопористих емітерів). Металічні та метало­сплавні термоемітери виробляють з тугоплав. металів. Ефектив. металіч. термоемітерами є Ta, W, Nb, Hf, Zr, Re, Mo. Метало­сплавні емітери — сплав двох металів: основного та того, що за­стосовують для під­вище­н­ня струму емісії. Під час легува­н­ня металіч. основи здебільшого утворюються тверді роз­чини або хім. сполуки (металіди). Водночас виникає дипол. шар адсорбов. атомів металу, що призводить до збільше­н­ня струму емісії. Металічні та метало­сплавні емітери виготовляють у ви­гляді ниток, прутків, стрічок, спіралей і використовують у системах прямого на­гріва­н­ня: потуж. високовольт. електрон. системах — генератор. лампах, рентґенів. трубках, електрон­но-променевих установках. М. е. на основі тугоплав. сполук пере­хід. металів або рідкісноземел. металів з карбоном, бором характеризуються високими т-рами плавле­н­ня, високою твердістю та зносо­стійкістю, малими швидкостями випаровува­н­ня, високою електро- та тепло­провід­ністю, порівняно високою стійкістю до окисне­н­ня, що до­зволяє використовувати їх у роз­бір. електрон­но-променевих системах під­вищеної потужності. Для карбідів пере­хід. металів при кімнат. т-рі властиві дуже мала пластичність та висока крихкість. Боридам пере­хід. металів і рідкісноземел. металів характерні більш високі емісійні властивості порівняно з карбідами пере­хід. металів при однак. т-рах. Серед усіх тугоплав. сполук як матеріал емітер нині найбільшого пошире­н­ня набув гексаборид лантану (LaB₆). Причому емісійні властивості монокри­сталіч. LaB₆ вищі, ніж у полікри­сталічного у ви­гляді порошку, покри­т­тя або пресов. виробу. З монокри­сталіч. LaB₆ виготовляють катоди електрон. мікро­скопів, установок електрон­но-променевого зварюва­н­ня, при­скорювачів заряджених частинок. Поширене викори­ста­н­ня евтект. композиц. матеріалів на основі LaB6 з диборидами пере­хід. металів. Вони характеризуються більш високою емісій. властивістю порівняно з індивідуал. LaB₆. Під час спрямов. кри­сталізації цих матеріалів створюється регулярна евтектична структура у ви­гляді волокон із дибориду пере­хід. металу у матриці монокри­сталу LaB₆, що призводить до покраще­н­ня мех. і емісій. властивостей.

Літ.: Фоменко В. С. Эмис­сион­ные свойства материалов: Справоч. 4-е изд. К., 1981; Таран А. А., Воронович Д. А., Падерно Ю. Б., Падерно В. Н. Эмис­сион-ные материалы // Неорган. материаловедение. Материалы и технологии. К., 2008. Т. 2, кн. 2; A. Taran et al. Review of LaB6, Re–W Dispenser, and BaHfO3–W Cathode Development // IEEE Transactions on Electron Devices. 2009. Vol. 56, № 5; Лушкін О. Є. Про ефективні термо­електрон­ні катоди // УФЖ. 2015. Т. 60, № 1.

А. О. Таран, Д. О. Воронович

Завантажити статтю