ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Особенности формовки автокатодов из высокопрочных графитов . 4.4. Влияние способа обработки рабочей поверхности автокатода из графита на ее структуру из "Структура поверхности и автоэмиссионные свойства углеродных материалов " Зависимость рабочего тока от степени шероховатости поверхности показана на рис. 4.4а. Видно, что в диапазоне токов 300 мкА— 5 мА эта зависимость носит линейный характер, при этом максимальный ток ограничивался возможностями высоковольтного источника питания. Вид экспериментальной зависимости подтверждает качественный вывод о росте тока эмиттера с ростом степени шероховатости его поверхности. [c.174] На рис. 4.5 приведен график степени шероховатости поверхности эмиттеров из графита МПГ-6 в зависимости от времени работы эмиттера в условиях высокого технического вакуума. Как и в предыдущей серии экспериментов, здесь использовались образцы с площадью рабочей поверхности л 7 мм , отформованные на токи 1000 и 500 мкА. [c.176] Кроме того, следует отметить, что для окончательной стабилизации шероховатости поверхности образца требуется время гораздо большее, чем время, необходимое для стабилизации среднего значения полного тока с поверхности образца. В экспериментах стабилизация тока достигалась примерно через 0,5 часа после окончания формовки эмиттера, тогда как стабилизация значения R происходила лишь через 5—10 часов. Следовательно, измерение R в начале работы эмиттера позволяет определить время, необходимое для получения устойчивого ансамбля микровыступов на поверхности образца. [c.176] Рост R отражает хорошо известный факт возрастания автоэмисси-онного тока в процессе работы эмиттера. [c.177] Экспериментальные вольт-амперные характеристики подтверждают [233] приведенный выше вывод, а именно при прочих равных условиях (общей рабочей площади, расстоянии анод—катод) вольт-амперная характеристика для автокатода из графита типа МПГ-6 смещена в область меньших напряжений по сравнению с другими исследованными материалами. [c.177] Также неплохие эмиссионные характеристики демонстрируют различные виды углеродных материалов на основе природных графитов [119,235], однако для них оценки степени шероховатости сделано не было. [c.177] Следует особо отметить еще и такую особенность формовки автокатодов из высокопрочных графитов. После формовки микроструктура рабочей поверхности, а, следовательно, и стабильность эмиссионного тока релаксирует к некоторому оптимальному значению, которое определяется микроструктурой исходного графита, рабочей площадью, требуемым токоотбором и расстоянием анод—катод, т. е. рабочим напряжением. Поэтому для каждой партии материала, способа его обработки на данном этапе наших познаний приходится, соответственно, экспериментально подбирать режим формовки. Кроме того, следует помнить, что существует предельный ток формованного катода. Другими словами, это такая амплитуда эмиссионного тока, которая не разрушает рабочую поверхность катода. Для исследованных сортов графита она составляла 1—4 мА/мм . [c.179] Структура поверхности таких графитов также (и это естественно) изменяется. Фотографии автоионных изображений образца из графита МПГ-б на рис. 4.7 иллюстрируют этот процесс. На неформованной поверхности (рис. 4.7а) проявляется небольшое количество достаточно высоко возвышающихся структурных образований различного характера слоистые образования и объемные конгломераты. После прохождения формовки структура поверхности образца приобретает более равномерный вид (рис. 4.76), хотя еще имеются участки с разным рельефом. После наработки такого автокатода в течение двух и более часов структура поверхности становится еще более равномерной (рис. 4.7а). В процессе более длительной работы такого катода происходят изменения в микроструктуре, ее перестройка. Однако общий ее характер статистически не изменяется, что подтверждается стабильностью автоэмиссионного тока с таких автокатодов. [c.179] Сразу отметим, что данный раздел не дает исчерпывающего ответа на поставленный вопрос, а дает лишь представление о его значимости при практическом использовании. [c.179] Как было неоднократно показано ранее, автоэмиссионные характеристики углеродных материалов существенно зависят от их структуры. В данном параграфе на примере высокопрочного графита типа МП Г-6 будет показано влияние способа обработки рабочей поверхности автокатодов, изготовленных из одного исходного куска графита, на структуру поверхности. [c.180] Состояние рабочей поверхности образца оценивалось по уровню стабильности тока автоэмиссии, а ее структура исследовалась в растровом электронном микроскопе. Состав приповерхностной зоны образцов определялся с помощью электронной оже-спектроскопии и лазерного масс-спектрального анализа. [c.181] Обращает на себя внимание существенная разница в исходной структуре поверхности в зависимости от вида ее начальной обработки (рис. 4.8.1). При электроэрозионной резке (рис. 4.8.1а) электрические разряды глубоко разъедают поверхность, образуя острые, хаотически расположенные образования размерами единицы и десятки микрон. На поверхности остаются многочисленные обломки разной величины, обладающие разной степенью связи между собой и поверхностью. Нестабильность эмиссионного тока, отбираемого с такой поверхности, доходит до 100%. Механическая обработка рабочей поверхности не вызывает таких больших структурных изменений (рис. 4.8.16), как в предыдущем случае. Однако поверхностный слой является несколько деформированным (бороздки от зерен образива не в счет), и на нем остаются небольшие (менее 1 мкм) обломки , оставшиеся в результате шлифовки и достаточно сильно связанные с поверхностью. Поэтому для окончательной подготовки рабочей поверхности автокатода из графита, изготовленной таким образом, целесообразно ввести в процесс изготовления обработку ионами. На рис. 4.8.1в представлена фотография исходной рабочей поверхности графитового катода после двух последовательных обработок эрозионной резки и отжига в среде фтора при температуре 2400 °С в течение 45 минут. Такой отжиг приводит к полной очистке заготовки катода от примесей (чистота углерода — 99,999%), а также вскрывает поры и удаляет обломки. Это объясняется, по-видимому, тем, что последние связаны с поверхностью через чужеродные элементы, а также с выходом газа из заготовки в процессе отжига. [c.181] в случае подготовки поверхности эрозией в конечном счете (рис. 4.8.Па) получается сильно изъязвленный рельеф, с сохранением достаточного числа тонких выступов и с наличием сравнительно небольшого числа округлых зерен на поверхности выступающих структурных образований сравнительно большого размера. [c.182] Большой разброс по толщине образований и наличие тонких выступов объясняет нестабильность автоэмиссионного тока после 1 часа наработки ток снизился на 30%, а нестабильность составила также около 30%. [c.182] При механической обработке конечная структура (рис. 4.8.Пб) практически полностью состоит из мелких зерен размером 1 мкм, присущих этому материалу, а микровыступы имеют достаточно плавный характер. Этим объясняется уменьшение тока после часа работы примерно на 0,5% при нестабильности 2%. [c.182] Комбинированная обработка дает структурные особенности (рис. 4.8.Па), характерные для двух предыдущих случаев, т. е. в значительной степени протравленный рельеф с наложением на него зернистой структуры. Уменьшение эмиссионного тока в этом случае составляет 1,5%, а нестабильность 3%. Это говорит о том, что отжиг во фторе дает хорошие результаты по формированию рельефа рабочей поверхности автокатода. Из этой фотографии видно, насколько глубоко разрушается поверхность графита при эрозионной резке. [c.182] Влияние механизма первоначальной обработки сказывается и на электросопротивлении поверхностного слоя графита. Так, штабики из графита размером 0,6 X 0,6 X 5 мм, вырезанные из одного и того же куска, имели следующие величины электрического сопротивления 1 — расчетное — 0,4 Ом 2 — электроэрозионная резка — 9,5 Ом 3 — механическая обработка — 1,2 Ом 4 — отжиг в среде фтора — 0,5 Ом. Такие изменения в величине электросопротивления связаны со значительным нарушением поверхностной структуры и изменением ее химического состава, особенно в процессе электроэрозионной резки. [c.183] Эти результаты подтверждаются данными оже-анализа (рис. 4.9). Так, после механической обработки (рис. 4.9./), т. е. шлифовки мелкозернистой шкуркой, а тем более после отжига, на поверхности образца практически отсутствуют примеси (чувствительность анализа составляет около 0,1ат. %). Электроэрозионная резка вносит, кроме структурных нарушений (на что указывалось выше), существенное загрязнение поверхности материалами, участвующими в технологическом процессе резки (рис. 4.9.2). Так, например, молибден — материал режущей проволоки, железо — материал направляющих и т. д. Сравнение результатов лазерного масс-спектрального анализа и автоэмиссионных свойств позволило сделать вывод о том, что примеси оказывают наибольшее влияние на автоэлектронную эмиссию из графита при их концентрации более 2,5 X 10 %. [c.183] Одним из перспективных методов формирования рабочей поверхности является радиационная обработка, которая, к тому же, не вносит примесей в материал катода. [c.183] Вернуться к основной статье