Введение
При эксплуатацииэлектровакуумных приборов оказалось, что в них происходит непрерывноеперемещение материалов с одних деталей на другие, причем направление этогоперемещения бывает иногда неожиданным: с холодных деталей на горячие.
Так, в катодах длительнопроработавших электровакуумных приборов всегда обнаруживаются многие элементы,ранее в них не находившиеся, но входящие в состав материалов, из которыхизготовлены другие детали. При исследовании процессов перемещения (миграции)элементов методом меченых атомов обнаружено, что в катод каким-то образомпопадают материалы со всех окружающих его деталей, включая стекло и слюду, причем интенсивность миграции возрастает при форсировании режима откачки и тренировки.
Восприимчивостьэлектровакуумных приборов к загрязнениям
Возможность попадания вактивное покрытие различных веществ, ухудшающих эмиссионные свойства катодов,часто вызывает у многих специалистов предчувствие неизбежного брака приборовиз-за малой эмиссии. Такое «суеверие» утвердилось в электровакуумной технике,например, по отношению к галогенам из-за их химической активности, и в первуюочередь к хлору и фтору, поскольку вероятность попадания этих элементов вэлектровакуумные приборы реально существует.
Однако произойдет лиотравление оксидного катода или нет, определяется не присутствием на деталяхэлектровакуумных приборов галогенов или любых других аналогичных веществ-ядов,а интенсивностью механизма переноса их с загрязненных деталей в катод. Еслиинтенсивность такого механизма весьма мала или его вовсе не существует, то яды,содержащиеся на деталях, не причинят вреда электровакуумным приборам. Вотпримеры.
1.Синтетическая слюдасодержит вместо кристаллизационной воды приблизительно 9% (вес.) фтора. Несмотряна это, использование такой слюды в приемно-усилительных сверхминиатюрныхлампах вместо природной (мусковита), не содержащей фтора вообще (или содержащейего в ничтожных количествах), не только не опасно, но даже желательно, так какэмиссионные свойства катодов при этом улучшаются.
2. В люминофорахостается в небольших количествах «технологический» хлор, используемый при ихизготовлении. Более того, как фтор, так и хлор непосредственно входят в составнекоторых люминофоров. Однако даже прямой обстрел таких люминофоров быстрымиэлектронами, при котором неизбежно разложение хлорных соединений и выделенииионов хлора, не вызывает катастрофического отравления оксидных катодов вэлектроннолучевых трубках.
3. Ножкиприемно-усилительных ламп загрязняются при сборке потом пальцев монтажниц.В одну приемно-усилительную лампу попадает при этом несколько десятковмикрограммов ионов хлора. Если пересчитать это количество на газообразный хлор,который мог бы выделиться в объем лампы, то его парциальное давление составилонесколько десятых тор. Однако по данным работы, металлическая лампа типа 6Ж4благополучно «терпит» загрязнение деталей хлором в количестве до 26 мкг, иминиатюрная лампа типа 6Ж5П – в количествах до 2 мкг. Объясняя различнуювосприимчивость ламп к загрязнению деталей хлором, автор работы приходит квыводу, что эта восприимчивость определяется конструкцией и технологией откачкиламп, т.е., иными словами, она зависит от интенсивности переноса хлора в катод.
В приведенных примерах мыимеем прямую аналогию с кислородом, из которого почти на половину состоят такиеиспользуемые в электровакуумных приборах материалы, как стекло и керамика.Отрицательное влияние кислорода этих материалах проявляется лишь тогда, когдавозникают условия для его переноса в катод, например, если стеклянные иликерамические детали подвергнуться электронной бомбардировки или возникнетэлектролиз стекла. Выделившийся свободный кислород уменьшит эмиссию катода, иприбор быстро выйдет из строя.
Следовательно, пока в приборах отсутствуютпроцессы, способствующие миграции загрязнения с различных деталей в катод, утехнологов не должно быть причин для суеверного страха перед этимизагрязнениям. Но, тем не менее, не следует отказываться от доступных методовочистки деталей.
Когда технология дешева ипроста, ее нужно применять, несмотря на то, что техническая обоснованностьэтого твердо и не доказана. Наряду с этим было бы безрассудным стремитьсяполностью выделить воду из стеклянных деталей или кислород из никелевых, хотямы знаем, что вода и кислород в незначительных количествах выделяется из этихдеталей при работе приборов; для стекла это потребовало бы слишком многовремени, а для никеля — вообще не осуществимо, так как мы распылили бы егораньше, нежели освободили от кислорода.
Все приведенные примерыдолжны предостерегать технологов от поспешных выводов при анализе причин плохойработоспособности приборов: обнаружение на их деталях веществ, отравляющихкатод еще не означает, что ухудшение работоспособности вызвано именно этими, а некакими-либо другими веществами.
Виды загрязнений
электровакуумный прибор загрязнение катод
Загрязнение деталей механическими частицами
Вредноевлияние различного рода механических частиц на качество и надежностьэлектровакуумных приборов было осознано только 53 года назад. В гражданской ивоенной аппаратуре того времени стали в массовых количествах использоватьэлектровакуумные приборы, причем выходы из строя единичных приборов приводили котказам дорогостоящей и ответственной аппаратуры. Так возникла проблеманадежности электровакуумных приборов, объявившая «тотальную войну» со всякогорода свободными частицами в приборах.
Опасностьсвободных частиц, в первую очередь пыли, раньше всего стала угрожатьприемно-усилительным лампам с малыми расстояниями между электродами. Ворсинкипри этом обычно не перегорают, так как в цепях электродов ламп имеютсявысокоомные нагрузки, ограничивающие токи электродов. Поэтому замыкания междуэлектродами бывают длительными. В таких случаях внутри ламп можно заметитьраскаленные ворсинки, застрявшие чаще всего между сетками.
Поведениеобугленных пылинок в лампе может быть весьма загадочным. Вот один из такихпримеров, полученный из опыта использования миниатюрных ламп в импульснойаппаратуре. В оксидном покрытии катода оказалась обуглившаяся ворсинка (рис.а).
/> 2 1 250 в
/> Оксид
Рис. а. Положениеворсинки в оксидном слое при отсутствии (1) и наличии (2) напряжения на сетке.
Она вела себяподобно лепесткам электроскопа: при приложении к сетке напряжения кончикиворсинки соединялись с сеткой, а при уменьшении или отключении возвращались висходное положение. Разгадать причину неустойчивого короткого замыкания в лампеудалось только при тщательном обследовании ее под микроскопом, включая ивыключая рабочие напряжения.
Опытным путемустановлено, что обуглившиеся ворсинки и другие частицы, застрявшие междуэлектродами, имеют самое различное сопротивление (от десятков до тысяч килоом).Поэтому влияние таких частиц на работу радиотехнической аппаратуры может бытьдвояким: при коротком замыкании возможен либо полный отказ в работе, либо ухудшениипараметров радиоаппаратуры.
Свободныечастицы не допустимы не только в приборах с малым расстоянием междуэлектродами, но и в таких приборах, где эти расстояния намного превышаютразмеры частиц, ибо независимо от того, являются ли эти частицы проводящими илиизоляционными, при вибрации они ухудшают вакуум и разрушают катод. Попадая накатод (или на другие разогретые электроды), частицы вызывают вспышку газа, чтоприводит к нестабильности работы приборов и даже к появлению в них пробоев иискрений. В.И. Новоселец установил, что если лампы обратной волны или клистронысодержат свободные частицы, то при их работе возникают флюктуации частотыгенерируемых колебаний.
Перемещающиесясвободные частицы обладают своеобразным «абразивным действием в результате тренияо внутреннюю поверхность оболочки они как бы «стряхивают» с нее адсорбированныйгаз.
Пыль ичастицы, прилипшие к волноведущим системам СВЧ приборов с электронным лучом,повышают шумы при работе таких приборов, поскольку пылинки перехватываютэлектроны луча и меняют его интенсивность. Запыленность замедляющих системпроявляются особенно сильно, когда их размеры малы.
Загрязнения углеводородами
В условияхработающих электровакуумных приборов жировые и масляные загрязнения могутразлагаться на более простые газы как СН4, СО, СО2, Н2О,Н2. Влияние на оксидный катод этих газов хорошо известно излитературы, и здесь мы не будем останавливаться на этом вопросе. Данных опрямом неблагоприятном воздействии на катод молекул углеводородов в литературенет. Наоборот, в некоторых работах отмечается, что ионизированный метан придавлениях 10-6 – 10-8 тор играет роль активатора оксидныхкатодов, а пары бензола (С6Н6) при давлении около 10-5тор активирует бариево-никелевые матричные катоды после их отравления кислородом.
Наряду с этимсуществует мнение, подтвержденное несколькими неопубликованными работами, чтооткачка электровакуумных приборов безмасляными насосами улучшает их параметры идолговечность. Это противоречие можно, по-видимому, объяснить следующимипричинами.
Во-первых,одним из конечных продуктов разложения углеводородов в условиях работающихэлектровакуумных приборов может быть углерод. Поскольку катод – самый нагретыйэлемент прибора, реакция разложения углеводородов происходит именно на нем,вызывая отложение углерода и, как следствие, снижение температуры катода. Врезультате резко снижается эмиссия катода и восстановить ее уже не удается.Темные катоды – наиболее частый дефект электровакуумных приборов, вызванныйприсутствующими в них углеводородами.
Во-вторых,жиры и углеводороды обладают большой упругостью пара, что препятствуетдостижению в электровакуумных приборах высокого вакуума. Сложные молекулы этихвеществ, кроме того, не устойчивы: они распадаются при бомбардировкезаряженными частицами даже с малыми энергиями. Эффективность десорбции газаповерхностями при бомбардировке их электронами с энергией 20-100 эввозрастает, по данным работы, примерно в 5000 раз, когда откачка прибораведется масляными диффузными насосами (вместо электроразрядных), т.е. когдаповерхности электронов загрязнены углеводородами.
Приэлектронной бомбардировке углеводородных пленок, так же как и при пиролизе,образуются элементарные газы СН4, СО, СО2 и Н2.Таким образом, из одной молекулы углеводорода образуется сразу несколькомолекул других газов, что создает благоприятные условия для интенсивнойбомбардировки ионами как катода, так и других электродов с низкимипотенциалами; в результате этого ускоряются процессы переноса различных веществв катод.
В-третьих,при прокаливании деталей в углеводородной среде они насыщаются углеродом. Этоявление хорошо известно из опыта плавки металлов в вакуумных печах,откачиваемых масляными диффузными насосами, при которой содержание углерода вметаллах постепенно возрастает. Накапливаясь в приповерхностном слое детали,углерод восстанавливает окислы как самого метала, так и его примесей, причем ввакууме реакция восстановления протекает при значительно меньших температурах,чем в обычных условиях. А это снова приводит к повышению газовыделениядеталями, главным образом СО и СО2.
В-четвертых,осаждаясь на деталях, углеводороды образуют на деталях пленку с высокимэлектрическим сопротивлением. На таких пленках в зависимости от условий вакуумасоздаются положительные и отрицательные заряды, изменяющие у поверхностиэлектродов электрические поля, что, в свою очередь, приводит к помехам в работемногих типов вакуумных приборов. Например, по этой причинемасс-спектрометрические датчики омегатроны, быстро выходят из строя, теряячувствительность и разрешающую способность; углеводородные пленки изменяюткоэффициент вторичной эмиссии поверхностей, а это мешает нормальной работеприборов, в которых используется вторичная эмиссия.
Прочностьсорбции углеводородных загрязнений зависит от их химического состава исостояния поверхности абсорбента. Например, для моноатомных слоев стеариновойкислоты на поверхности кварца и золота давление пара уже при 20 0Ссоставляет приблизительно (1¸2)10-9 тор. Когда образуются стеораты (соединениястеариновой кислоты с металлом), давление пара резко возрастает. Например, дляВа-Сu стеарата оно при той же температуре20 0С приблизительно равно 6×10-2 тор. Таким образом, если углеводородныезагрязнения образуют с металлами химические соединения, имеющие слабыесорбционные связи с поверхностями, то при этом резко возрастает интенсивностьпереноса металлов внутри электровакуумных приборов.
Списоклитературы
1. Коршак Е.В., Ляшенко А.И., Савченко В.Ф. Физика 10 класс:учебник для общеобразовательных учебных заведений. Издательство ВТФ«Перун». Ирпинь. 2004.
2. Кабардин О.Ф. Физика: Справочные материалы: Учебноепособие для учащихся — 2-е издание. Издательство «Просвещение».Москва. 1988.
3. Говорякин Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики.Издательство «Высшая школа». Москва. 1972.