СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭМИССИОННОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛОПОРИСТОГО КАТОДА
METHOD FOR PREDICTING EMISSION DURABILITY OF METAL-POROUS CATHODE

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам, предназначенным для прогнозирования эмиссионной долговечности металлопористого катода (МПК) с косвенным накалом при его работе в составе электровакуумных изделий.
Известны методики оценки долговечности работы МПК при рабочей температуре в составе готовых изделий или макетов, их имитирующих. Испытания катодов проводятся в составе приборов с токоприемными электродами, что позволяет с установленной периодичностью замерять эмиссионные характеристики катодов. При падении тока катода ниже установленного критерия испытания считаются законченными, а долговечность работы данного катода определенной [Novak М., Bussey D., Daniszewski Е. RL CATHODE LIFE TEST FACILITY/AD-A234 309, RL-TR-91-10 In House Report, February 1991]. Такого рода испытания дают наиболее точную оценку работоспособности катодов в составе готовых изделий. Существенным недостатком таких методик является длительность испытаний, особенно при проведении работ со сверхдолговечными катодами, у которых значения долговечности могут превышать 100000 часов.
Известно несколько способов определения долговечности МПК, включающих проведение испытаний работающего катода при форсированной относительно рабочей величины температуре с определением периода времени, после которого наступает деградация эмиссионного тока [Авторское свидетельство СССР №570125 «Способ определения долговечности металлопористого катода» Е.И. Таборко, А.В. Морозов, В.Н. Дмитриева, 1977. Бюл. №31; Авторское свидетельство СССР №1447192 «Способ оценки долговечности термокатода» В.Г. Ворожейкин, В.Н. Дудкин, Ю.И. Набоков и Н.В. Свинцов, 1986. Бюл. №16; Шрофф A.M., Паллюэл П. Импрегнированные катоды. Перевод Гамбург И.Д. №И-20042., 80 с.]. Отличие методик друг от друга состоит лишь в математическом расчете, позволяющем сделать вывод о долговечности катода при рабочей температуре на основе данных о долговечности в режиме форсированного нагрева катода. Указанные способы являются простыми в реализации и весьма распространенными, однако имеют ряд недостатков, наиболее существенным из которых также является большая длительность проведения испытаний, особенно в случаях, когда эксперимент проводится для катодов с высокой предполагаемой долговечностью. Данный недостаток присутствует даже несмотря на то, что форсированный нагрев катода по сравнению с рабочим позволяет снизить длительность испытаний в несколько единиц или десятков раз. Это связано с тем, что температуру катода при испытаниях можно форсировать лишь до определенного предела, выше которого происходит выплавление активного вещества из катода с наступлением неработоспособного состояния. Другим существенным недостатком является неработоспособность катодов, на которых проводились испытания и для которых долговечность была определена.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ прогнозирования индивидуальной долговечности катодов в составе электровакуумных приборов, включающий работу прибора при рабочей температуре катода [Авторское свидетельство СССР №1277821 «Способ прогнозирования индивидуальной долговечности электровакуумных приборов» В.Г. Ворожейкин, В.Н. Дудкин, Ю.И. Набоков, 1985]. Методика предполагает проведение испытания прибора в рабочем режиме в течение времени, меньшем гарантируемой долговечности прибора, с фиксацией характера изменения прогнозирующего параметра за это время. В качестве прогнозирующего параметра выбирают разность между рабочей температурой катода и температурой, соответствующей переходу тока основного токоприемного электрода из режима ограничения его пространственным зарядом в режим температурного ограничения. Полученную зависимость изменения прогнозирующего параметра со временем экстраполируют до пересечения с границей зоны допустимых значений прогнозирующего параметра. К недостаткам способа можно отнести отсутствие возможности контроля температуры катода во время проведения испытания в приборах с непрозрачными для электромагнитного излучения, характеризующего температуру катода, стенками. Данный недостаток имеет место в большом количестве современных электровакуумных приборов, оболочка которых выполнена из металла. Отсутствие возможности измерения характеристической температуры катода делает невозможным контроль прогнозирующего параметра во время проведения испытания, то есть делает невозможным проведение испытания предложенным способом.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении точности прогноза эмиссионной долговечности катода, в том числе в составе изделий с металлическими стенками, не позволяющими определять температуру катода во время проведения испытания, подлежащих установке в состав готовой аппаратуры и эксплуатации в течение предполагаемого срока службы.
Технический результат достигается тем, что исследуемый катод монтируют в камеру минимально возможного размера, к которой присоединено устройство измерения вакуума, так, чтобы имелась возможность подвода к выводам подогревателя катода мощности накала. Создается высокий вакуум в камере, и при стабильном уровне высокого вакуума определяют величину давления при выключенном состоянии катода. Затем при непрерывном измерении давления в исследуемой камере посредством подачи напряжения накала на выводы подогревателя катода катод разогревается, и фиксируют максимальную величину давления, которое достигается внутри камеры в процессе разогрева катода. Величины давления до и после включения катода сравнивают. Далее проводится выдержка во включенном состоянии катода. После проведения выдержки катода во включенном состоянии напряжение накала отключают, катод остужается. После остывания катода и установления температурного равновесия внутри камеры проводят повторную фиксацию уровня давления внутри камеры с катодом, и при непрерывном измерении давления проводится повторный разогрев катода и повторное определение максимального уровня давления в процессе разогрева катода. Напряжение накала на подогревателе катода отключают, повторно сравнивают величины, замеренные до и после включения катода. После проведения выдержки катода во включенном состоянии прогнозируют развитие процесса освобождения пор катода от активного вещества, то есть испарение активного вещества катода со временем, а следовательно, долговечность катода.
Способ осуществляется следующим образом: исследуемый металлопористый катод закрепляют в камере, снабженной любым устройством замера вакуума, позволяющим проводить измерения высокого вакуума так, чтобы имелась возможность подачи напряжения накала на катод для его разогрева. Для обеспечения наилучшей точности камера с катодом должна обладать минимально возможными размерами. После создания вакуумных условий в камере с катодом следует определить, какое количество газа выделяется в камеру из катода после его разогрева. Для этого необходимо провести измерение давления в камере перед включением катода, при непрерывном измерении давления включить катод, установив напряжение на выводы подогревателя, и зафиксировать максимальную величину давления, которая будет достигаться при разогреве катода. Так как из всех внутренних поверхностей, содержащихся в камере, катод будет обладать самой высокой температурой (-1000°С), он будет являться источником выделения газа, или истоком [Корепин Г.Ф, Юнаков А.Н. Стоки и истоки поверхностных газов отпаянных ЭВП // Вакуумная техника и технология. - 2010. - Т. 20, №2. - С. 71-76]. Количество газа, выделенного в камеру, следует определить с помощью измерителя давления по относительному изменению давления в исследуемой камере до и после включения катода, зная геометрические параметры камеры. Далее следует провести выдержку катода при температуре, например, равной величине, при которой предполагается его работа в составе готового изделия. Длительность выдержки должна определяться конструктивными особенностями катода, такими как его плотность/пористость, температура, состав активного вещества и т.д. В любом случае время наработки должно составлять несоизмеримо малую величину по сравнению с предполагаемой ресурсной эмиссионной долговечностью катода. После проведения выдержки во включенном состоянии катода следует отключить, снизив напряжение на подогревателе до нуля. После остывания катода и установления температурного равновесия внутри исследуемой камеры с катодом следует провести повторное определение количества газа, выделяющегося из катода, измерив давление в камере с катодом до и после включения катода. Изменение количества газа, выделяющегося в камеру из катода после его наработки во включенном состоянии, показывает изменения в структуре катода с точки зрения заполненности пор катода активным веществом.
Путем экстраполяции полученной зависимости изменения давления со временем наработки катода во включенном состоянии в область границы допустимых значений, которая определяется индивидуально для каждого типа катодов и зависит от геометрических особенностей внутреннего строения катодов, активного вещества и проч. Доказано, что граница допустимых значений изменения давления имеет связь с эмиссионной способностью катода: чем больше катод выделяет газа при включении, тем эмиссионная способность катода становится ниже, связь устанавливается индивидуально для каждого типа катодов.
Выявив зависимость испарения активного вещества от длительности наработки катода во включенном состоянии, например при рабочей величине температуры, прогнозируют дальнейшее протекание процесса испарения активного вещества из катода при его эксплуатации в готовой аппаратуре. Количество активного вещества в катоде, при котором происходит падение рабочей величины тока эмиссии катода на величину, которая обычно ниже первоначальной на 5-10%, что является условием наступления неработоспособности катода, определяется конструктивными особенностями структуры катода, такими как пористость и плотность. Тем самым на основании экспериментальных данных появляется возможность прогнозировать индивидуальную эмиссионную долговечность каждого катода, установленного впоследствии в готовую аппаратуру, а не одного катода из партии, то есть появляется возможность учитывать даже незначительные особенности в структуре катодов, способных привести к значительным различиям по эмиссионной долговечности.
Следует отметить, что при отключении нагрева и остывании катода, вследствие равномерного распределения газа по исследуемому объему камеры и ее поверхностям, из-за того, что катод будет являться наиболее обезгаженным элементом камеры (во включенном состоянии у него самая высокая температура по сравнению с другими элементами камеры) и пористым телом (то есть телом с развитой структурой внутренней поверхности), газ из камеры будет сорбироваться катодом, в том числе поверхностью, расположенной в структуре пористого тела. В этом случае катод будет являться стоком газа, а поверхности других элементов в объеме камеры – истоком. Величины изменений давлений в исследуемом объеме камеры в случаях, когда катод является истоком/стоком газа, равно информативны с поправкой на скорость испарения активного вещества из пористого тела катода, когда он находится в горячем состоянии.
Очевидно, что процессы сорбции/десорбции газа применимы как к внутренним поверхностям катода, так и к наружным. Площадь наружной поверхности катода представляет собой величину, которая со временем остается практически неизменной, тогда как площадь внутренней поверхности катода, способная сорбировать газ за счет испарения активного вещества с наработкой, становится все значительнее. Таким образом, количество газа, сорбированного наружной поверхностью катода в его холодном состоянии, не будет изменяться со временем наработки катода во включенном состоянии и будет оставаться постоянной составляющей в величине газа, выделяемого катодом в случае, когда катод является истоком, а количество газа, сорбированного внутренними поверхностями катода, – изменяемой составляющей, представляющей интерес при реализации предлагаемого изобретения.
Таким образом, изменение величины сорбции/десорбции газа катодом в результате его наработки при рабочей температуре позволит оценить скорость испарения активного вещества из пор губки катода, то есть прогнозировать его долговечность.
Источники информации
1. Novak М., Bussey D., Daniszewski Е. RL CATHODE LIFE TEST FACILITY/AD-A234 309, RL-TR-91-10 In House Report, February 1991.
2. Авторское свидетельство СССР №570125 «Способ определения долговечности металлопористого катода» Е.И. Таборко, А.В. Морозов, В.Н. Дмитриева, 1977. Бюл. №31.
3. Авторское свидетельство СССР №1447192 «Способ оценки долговечности термокатода» В.Г. Ворожейкин, В.Н. Дудкин, Ю.И. Набоков и Н.В. Свинцов, 1986. Бюл. №16.
4. Шрофф A.M., Паллюэл П. Импрегнированные катоды. Перевод Гамбург И.Д. №И-20042., 80 с.
5. Авторское свидетельство СССР №1277821 «Способ прогнозирования индивидуальной долговечности электровакуумных приборов» В.Г. Ворожейкин, В.Н. Дудкин, Ю.И. Набоков, 1985. Бюл. №16.
6. Корепин Г.Ф, Юнаков А.Н. Стоки и истоки поверхностных газов отпаянных ЭВП // Вакуумная техника и технология. - 2010. - Т. 20, №2. - С. 71-76.