Загрязнения электровакуумных приборов

Введение

При эксплуатации электровакуумных приборов оказалось, что в них происходит непрерывное перемещение материалов с одних деталей на другие, причем направление этого перемещения бывает иногда неожиданным: с холодных деталей на горячие.

Так, в катодах длительно проработавших электровакуумных приборов всегда обнаруживаются многие элементы, ранее в них не находившиеся, но входящие в состав материалов, из которых изготовлены другие детали. При исследовании процессов перемещения (миграции) элементов методом меченых атомов обнаружено, что в катод каким-то образом попадают материалы со всех окружающих его деталей, включая стекло и слюду, при чем интенсивность миграции возрастает при форсировании режима откачки и тренировки.

Восприимчивость электровакуумных приборов к загрязнениям

Возможность попадания в активное покрытие различных веществ, ухудшающих эмиссионные свойства катодов, часто вызывает у многих специалистов предчувствие неизбежного брака приборов из-за малой эмиссии. Такое «суеверие» утвердилось в электровакуумной технике, например, по отношению к галогенам из-за их химической активности, и в первую очередь к хлору и фтору, поскольку вероятность попадания этих элементов в электровакуумные приборы реально существует.

Однако произойдет ли отравление оксидного катода или нет, определяется не присутствием на деталях электровакуумных приборов галогенов или любых других аналогичных веществ-ядов, а интенсивностью механизма переноса их с загрязненных деталей в катод. Если интенсивность такого механизма весьма мала или его вовсе не существует, то яды, содержащиеся на деталях, не причинят вреда электровакуумным приборам. Вот примеры.

1. Синтетическая слюда содержит вместо кристаллизационной воды приблизительно 9% (вес.) фтора. Несмотря на это, использование такой слюды в приемно-усилительных сверхминиатюрных лампах вместо природной (мусковита), не содержащей фтора вообще (или содержащей его в ничтожных количествах), не только не опасно, но даже желательно, так как эмиссионные свойства катодов при этом улучшаются.

2. В люминофорах остается в небольших количествах «технологический» хлор, используемый при их изготовлении. Более того, как фтор, так и хлор непосредственно входят в состав некоторых люминофоров. Однако даже прямой обстрел таких люминофоров быстрыми электронами, при котором неизбежно разложение хлорных соединений и выделении ионов хлора, не вызывает катастрофического отравления оксидных катодов в электроннолучевых трубках.

3. Ножки приемно-усилительных ламп загрязняются при сборке потом пальцев монтажниц. В одну приемно-усилительную лампу попадает при этом несколько десятков микрограммов ионов хлора. Если пересчитать это количество на газообразный хлор, который мог бы выделиться в объем лампы, то его парциальное давление составило несколько десятых тор. Однако по данным работы, металлическая лампа типа 6Ж4 благополучно «терпит» загрязнение деталей хлором в количестве до 26 мкг, и миниатюрная лампа типа 6Ж5П – в количествах до 2 мкг. Объясняя различную восприимчивость ламп к загрязнению деталей хлором, автор работы приходит к выводу, что эта восприимчивость определяется конструкцией и технологией откачки ламп, т.е., иными словами, она зависит от интенсивности переноса хлора в катод.

В приведенных примерах мы имеем прямую аналогию с кислородом, из которого почти на половину состоят такие используемые в электровакуумных приборах материалы, как стекло и керамика. Отрицательное влияние кислорода этих материалах проявляется лишь тогда, когда возникают условия для его переноса в катод, например, если стеклянные или керамические детали подвергнуться электронной бомбардировки или возникнет электролиз стекла. Выделившийся свободный кислород уменьшит эмиссию катода, и прибор быстро выйдет из строя.

Следовательно, пока в приборах отсутствуют процессы, способствующие миграции загрязнения с различных деталей в катод, у технологов не должно быть причин для суеверного страха перед этими загрязнениям. Но, тем не менее, не следует отказываться от доступных методов очистки деталей.

Когда технология дешева и проста, ее нужно применять, несмотря на то, что техническая обоснованность этого твердо и не доказана. Наряду с этим было бы безрассудным стремиться полностью выделить воду из стеклянных деталей или кислород из никелевых, хотя мы знаем, что вода и кислород в незначительных количествах выделяется из этих деталей при работе приборов; для стекла это потребовало бы слишком много времени, а для никеля - вообще не осуществимо, так как мы распылили бы его раньше, нежели освободили от кислорода.

Все приведенные примеры должны предостерегать технологов от поспешных выводов при анализе причин плохой работоспособности приборов: обнаружение на их деталях веществ, отравляющих катод еще не означает, что ухудшение работоспособности вызвано именно этими, а не какими-либо другими веществами.

Виды загрязнений

электровакуумный прибор загрязнение катод

Загрязнение деталей механическими частицами

Вредное влияние различного рода механических частиц на качество и надежность электровакуумных приборов было осознано только 53 года назад. В гражданской и военной аппаратуре того времени стали в массовых количествах использовать электровакуумные приборы, причем выходы из строя единичных приборов приводили к отказам дорогостоящей и ответственной аппаратуры. Так возникла проблема надежности электровакуумных приборов, объявившая «тотальную войну» со всякого рода свободными частицами в приборах.

Опасность свободных частиц, в первую очередь пыли, раньше всего стала угрожать приемно-усилительным лампам с малыми расстояниями между электродами. Ворсинки при этом обычно не перегорают, так как в цепях электродов ламп имеются высокоомные нагрузки, ограничивающие токи электродов. Поэтому замыкания между электродами бывают длительными. В таких случаях внутри ламп можно заметить раскаленные ворсинки, застрявшие чаще всего между сетками.

Поведение обугленных пылинок в лампе может быть весьма загадочным. Вот один из таких примеров, полученный из опыта использования миниатюрных ламп в импульсной аппаратуре. В оксидном покрытии катода оказалась обуглившаяся ворсинка (рис. а).

_{2 1 250 в}

_Оксид

Рис. а. Положение ворсинки в оксидном слое при отсутствии (1) и наличии (2) напряжения на сетке.

Она вела себя подобно лепесткам электроскопа: при приложении к сетке напряжения кончики ворсинки соединялись с сеткой, а при уменьшении или отключении возвращались в исходное положение. Разгадать причину неустойчивого короткого замыкания в лампе удалось только при тщательном обследовании ее под микроскопом, включая и выключая рабочие напряжения.

Опытным путем установлено, что обуглившиеся ворсинки и другие частицы, застрявшие между электродами, имеют самое различное сопротивление (от десятков до тысяч килоом). Поэтому влияние таких частиц на работу радиотехнической аппаратуры может быть двояким: при коротком замыкании возможен либо полный отказ в работе, либо ухудшении параметров радиоаппаратуры.

Свободные частицы не допустимы не только в приборах с малым расстоянием между электродами, но и в таких приборах, где эти расстояния намного превышают размеры частиц, ибо независимо от того, являются ли эти частицы проводящими или изоляционными, при вибрации они ухудшают вакуум и разрушают катод. Попадая на катод (или на другие разогретые электроды), частицы вызывают вспышку газа, что приводит к нестабильности работы приборов и даже к появлению в них пробоев и искрений. В.И. Новоселец установил, что если лампы обратной волны или клистроны содержат свободные частицы, то при их работе возникают флюктуации частоты генерируемых колебаний.

Перемещающиеся свободные частицы обладают своеобразным «абразивным действием в результате трения о внутреннюю поверхность оболочки они как бы «стряхивают» с нее адсорбированный газ.

Пыль и частицы, прилипшие к волноведущим системам СВЧ приборов с электронным лучом, повышают шумы при работе таких приборов, поскольку пылинки перехватывают электроны луча и меняют его интенсивность. Запыленность замедляющих систем проявляются особенно сильно, когда их размеры малы.

Загрязнения углеводородами

В условиях работающих электровакуумных приборов жировые и масляные загрязнения могут разлагаться на более простые газы как СН₄, СО, СО₂, Н₂О, Н₂. Влияние на оксидный катод этих газов хорошо известно из литературы, и здесь мы не будем останавливаться на этом вопросе. Данных о прямом неблагоприятном воздействии на катод молекул углеводородов в литературе нет. Наоборот, в некоторых работах отмечается, что ионизированный метан при давлениях 10^-6 – 10^-8 тор играет роль активатора оксидных катодов, а пары бензола (С₆Н₆) при давлении около 10^-5 тор активирует бариево-никелевые матричные катоды после их отравления кислородом.

Наряду с этим существует мнение, подтвержденное несколькими неопубликованными работами, что откачка электровакуумных приборов безмасляными насосами улучшает их параметры и долговечность. Это противоречие можно, по-видимому, объяснить следующими причинами.

Во-первых, одним из конечных продуктов разложения углеводородов в условиях работающих электровакуумных приборов может быть углерод. Поскольку катод – самый нагретый элемент прибора, реакция разложения углеводородов происходит именно на нем, вызывая отложение углерода и, как следствие, снижение температуры катода. В результате резко снижается эмиссия катода и восстановить ее уже не удается. Темные катоды – наиболее частый дефект электровакуумных приборов, вызванный присутствующими в них углеводородами.

Во-вторых, жиры и углеводороды обладают большой упругостью пара, что препятствует достижению в электровакуумных приборах высокого вакуума. Сложные молекулы этих веществ, кроме того, не устойчивы: они распадаются при бомбардировке заряженными частицами даже с малыми энергиями. Эффективность десорбции газа поверхностями при бомбардировке их электронами с энергией 20-100 эв возрастает, по данным работы, примерно в 5000 раз, когда откачка прибора ведется масляными диффузными насосами (вместо электроразрядных), т.е. когда поверхности электронов загрязнены углеводородами.

При электронной 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 несколько молекул других газов, что создает благоприятные условия для интенсивной бомбардировки ионами как катода, так и других электродов с низкими потенциалами; в результате этого ускоряются процессы переноса различных веществ в катод.

В-третьих, при прокаливании деталей в углеводородной среде они насыщаются углеродом. Это явление хорошо известно из опыта плавки металлов в вакуумных печах, откачиваемых масляными диффузными насосами, при которой содержание углерода в металлах постепенно возрастает. Накапливаясь в приповерхностном слое детали, углерод восстанавливает окислы как самого метала, так и его примесей, причем в вакууме реакция восстановления протекает при значительно меньших температурах, чем в обычных условиях. А это снова приводит к повышению газовыделения деталями, главным образом СО и СО₂.

В-четвертых, осаждаясь на деталях, углеводороды образуют на деталях пленку с высоким электрическим сопротивлением. На таких пленках в зависимости от условий вакуума создаются положительные и отрицательные заряды, изменяющие у поверхности электродов электрические поля, что, в свою очередь, приводит к помехам в работе многих типов вакуумных приборов. Например, по этой причине масс-спектрометрические датчики омегатроны, быстро выходят из строя, теряя чувствительность и разрешающую способность; углеводородные пленки изменяют коэффициент вторичной эмиссии поверхностей, а это мешает нормальной работе приборов, в которых используется вторичная эмиссия.

Прочность сорбции углеводородных загрязнений зависит от их химического состава и состояния поверхности абсорбента. Например, для моноатомных слоев стеариновой кислоты на поверхности кварца и золота давление пара уже при 20 ⁰С составляет приблизительно (1¸2)10^-9 тор. Когда образуются стеораты (соединения стеариновой кислоты с металлом), давление пара резко возрастает. Например, для Ва-Сu стеарата оно при той же температуре 20 ⁰С приблизительно равно 6×10^-2 тор. Таким образом, если углеводородные загрязнения образуют с металлами химические соединения, имеющие слабые сорбционные связи с поверхностями, то при этом резко возрастает интенсивность переноса металлов внутри электровакуумных приборов.

Список литературы

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: Учебное пособие для учащихся - 2-е издание. Издательство "Просвещение". Москва. 1988.

3. Говорякин Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. Издательство "Высшая школа". Москва. 1972.