Материал: Sb98836

Предельный ток, соответствующий участку CD, характеризует процесс формирования на аноде пассивной пленки. При этом напряжение возрастает, а ток практически остается постоянным. По достижении напряжения, соответствующего точке перегиба D, на кривой DE начинается новый этап процесса – выделение газообразного кислорода. Сглаживание поверхности анода (в данном случае – это вольфрамовая проволока) происходит на горизонтальном участке кривой и после второго перегиба в точке D.

При электрохимическом полировании катод должен быть химически устойчив, а его поверхность в несколько раз больше анодной поверхности, что облегчает регулирование процесса по напряжению.

Для электрохимического полирования вольфрама в основном используют щелочные электролиты различного состава.

Введение гидроксида аммония в щелочные растворы позволило повысить качество обработки поверхности и значительно интенсифицировать процесс электрополирования вольфрама за счет повышения предельной плотности тока и снижения анодной поляризации вследствие активирующего воздействия NH3 на растворение первичных продуктов окисления вольфрама.

Несмотря на явные преимущества, щелочно-аммиачные растворы по сравнению со щелочными имеют ряд недостатков: высокую летучесть, токсичность и нестабильность состава по содержанию аммиака.

Исследования полированной вольфрамовой проволоки показали повышение ее механической прочности. Кроме того, с нивелированной поверхности проволоки методом электрополирования наблюдалось устойчивое повышение удельной эмиссии.

Особенности изготовления решетки катода. Одной из основных кон-

струкций ВТКК в мощных генераторных лампах является решетчатая – цилиндрическая конструкция, образованная двумя слоями проволок [3]. Места пересечения проволоки фиксируют точечной контактной сваркой. Концы решетки приваривают к чашкам аргонодуговой, электронно-лучевой сваркой или пайкой. К нижней чашке приваривают держатель. Таким образом, решетчатый катод представляет собой цельносварную неразъемную конструкцию.

Перед сваркой детали катода проходят специальную очистку. В качестве дополнительной обработки применяют отжиг проволоки в атмосфере водорода при 1400…1700 К. Молибденовые чашки и держатели травят в расплаве азотно-кислых солей калия и натрия.

11

Сварке решетки предшествует ее формообразование – навивка. Навивку осуществляют, как правило, механическим способом на специальных оправках, являющихся одновременно и инструментом для сварки перекрытий проволок решетки. Сварку проводят на монтажно-сварочных столах. Широкой механизации и автоматизации сварки решеток препятствует ряд конструктивных и технологических особенностей, затрудняющих получение доброкачественных сварных точек.

Технология карбидирования катодов. После формообразования (изго-

товления из проволоки или ленты) катод проходит стадию карбидирования, которая заключается во взаимодействии нагретой до температуры 2000…2300 К поверхности торированного вольфрама с атомарным углеродом, образующимся в результате термической диссоциации паров углеводородов (бензол, нафталин, толуол и др.). Процесс ведется в вакууме (вакуумное карбидирование) или в газе-носителе (чаще всего водородное карбидирование). В результате карбидирования поверхностный слой торированного вольфрама будет представлять собой карбид вольфрама.

Образующийся слой карбида вольфрама должен иметь такие фазовый состав, структуру и толщину, чтобы гарантировать формоустойчивость катода, создание запаса восстановленного тория, диффузию тория к поверхности и равномерное заполнение поверхности торием за счет миграции его атомов. Процесс образования карбидного слоя определяется температурой поверхности катода, концентрацией паров углеводорода, продолжительностью карбидирования, состоянием поверхности катода и структурой исходного материала. В зависимости от сочетания этих факторов возможно образование карбидов вольфрама двух разновидностей: полукарбида W2C с гексагональной плотно упакованной структурой и монокарбида WC с простой гексагональной решеткой. Для предотвращения образования на поверхности и в объеме катода включений свободного углерода С (что понижает эмиссионную способность катода) должно соблюдаться равновесие между скоростью образования атомарного углерода и скоростью диффузии его в вольфрам.

После карбидирования монокарбид WC преобладает в приповерхностном слое и резко уменьшается к центру катода, полукарбид W2C начинает преобладать, наоборот, с удалением в глубь катода. Чистый вольфрам появляется на границе половины толщины карбидного слоя, далее в глубь катода его концентрация возрастает и структура катода становится чисто металлической.

12

Монокарбид WC при температуре выше 1600 К метастабилен и переходит в полукарбид W2C . На этом основан процесс, называемый формированием рабочей структуры карбидного слоя, состоящего из W2C . При прогреве в вакууме ~103 Па при Т > 2100 К WC разлагается на W2C и С, который распространяется в глубь катода, соединяется с W и образует вновь W2C , толщина карбидного слоя при этом возрастает. Таким образом, основной фазой, образующейся в сформированном карбидном слое, является W2C .

С целью уменьшения хрупкости карбидированного катода исходный материал подвергается электрохимическому полированию для снятия дефектного слоя и сглаживания микронеровностей поверхности. Толщина карбидного слоя Δ, как правило, лежит в пределах от 10 до 40 мкм в зависимости от диаметра нити катода D. Это соответствует степени карбидирования по пло-

щади (γ) 10–30 %: SW2C SW2C SW , где SW2C и SW – площадь поперечного сечения нити катода, занятая карбидом вольфрама и вольфрамом соответственно. Так как

SW D 2 2 4 , а SW2C SW D24 , то 1 2 D 2100 .

Наиболее точный контроль степени карбидирования осуществляется разрушающим методом. Из средней части катодной системы извлекается участок нити катода, изготавливается микрошлиф, по которому определяют толщину и структуру слоя. К числу неразрушающих методов контроля относят: контроль изменения электрического сопротивления катода, контроль относительного увеличения диаметра нити катода, контроль уровня излучения при использовании радиоактивного изотопа углеводорода. Из этих методов наиболее простым и часто применяемым является метод измерения электрического сопротивления до карбидирования ( R0 ) и после него ( Rк ). При этом

γ 2 ρ2 ρ1 Rк R0 Rк ,

где ρ1, ρ2 удельные сопротивления W и W2C соответственно. При комнатной температуре 2 2 1 ~ 1.075.

На основе обобщения опыта различных исследований можно утверждать, что основной фазой, обнаруживающейся в сформированном карбидном слое, является -W2C . Также в зависимости от режима карбидирования структура карбидного слоя может быть весьма разнообразной. Наибольшую

13

диффузионную проницаемость для тория вследствие большой развитости границ зерен и фаз имеет ламельная радиальная структура, обеспечивающая наилучшую эмиссионную способность катода.

Факторы, определяющие долговечность катодов. Основными техно-

логическими и эксплуатационными факторами, влияющими на долговечность ВТКК, являются:

–наличие микро- и макротрещин, расслоев и других дефектов в исходном катодном материале, степень шероховатости поверхности;

–энергетическая однородность поверхности;

–толщина, равномерность распределения, химический состав и структура сформированного карбидного слоя;

–температурный режим активирования катода, стабильность рабочей температуры в течение срока службы;

–давление и состав газовой среды внутри прибора;

–характер реакций распыленных с электродов веществ;

–напряженность и степень однородности электромагнитных полей в различных режимах эксплуатации.

Внутренние скрытые дефекты в исходном материале приводят к появлению ненадежных участков конструкции, обладающих пониженными механическими характеристиками, что особенно опасно в условиях жестких механических нагрузок. Прежде всего, это развитые микротрещины, проникающие в глубину до 1/3 радиуса поперечного сечения катода и более, а также неравномерно распределенные по сечению остаточные напряжения, не снятые при отжиге.

Для снижения уровня расслоя и количества дефектов в материал катода добавляется рений, изменяется методика введения оксида тория в сплав, проводится контроль поверхности проволоки на дефектоскопе, применяется электрополировка поверхности катода.

При карбидировании катода указанные ранее дефекты являются каналами для диффузии углеродсодержащих веществ в керн катода, что повышает его хрупкость. Особенно сильно проникает углерод в глубину катода по границам зерен, где остаточные деформации наибольшие. Использование форсированных режимов активирования катодов (Т = 2440…2500 К) для снижения времени изготовления приводит к сильным деградационным изменениям

вструктуре металла: повышению хрупкости катода и уменьшению толщины карбидного слоя (декарбидированию) до 50 % исходной толщины. Помимо

14

этого с поверхности катода интенсивно испаряется торий, что уменьшает ресурс последнего в катоде и запыляет другие электроды прибора. Поэтому надо стремиться к снижению температуры активирования катода, несмотря на увеличение времени термообработки.

Декарбидирование ВТКК обусловлено рядом процессов: взаимодействием карбида с остаточными газами; распылением углерода из-за повышенной температуры; расходом углерода на восстановление тория из оксида; разложением под действием ионной бомбардировки; частичным термическим разложением с образованием монокарбида вольфрама. Зависимость скорости декарбидирования катода от температуры (вблизи 2000 К) может быть пред-

ного слоя и время декарбидирования; а – постоянная декарбидирования, определяемая эмпирически; Тк , Тк0 – температура катода в начале и конце процесса декарбидирования соответственно.

Если считать, что толщина слоя карбида уменьшается из внутреннего объема в сторону наружной поверхности, то изменение радиуса карбидного слоя в зависимости от времени и температуры за время dt будет

Так как при декарбидировании катода толщина карбидного слоя h уменьшается, то радиус внутренней части, состоящей из торированного вольфрама rb , увеличивается почти до радиуса наружной карбидированной поверхности rк на величину r , а температура при этом повышается от Тк0 до Тк . Тогда время сокращения карбидного слоя будет

rк

t A exp aT dr .

rb

Сопротивление карбида вольфрама в 2.1 раза больше сопротивления вольфрама, поэтому в результате декарбидирования нитей накала сопротивление катода уменьшается, ток накала, мощность и температура катода увеличиваются. Так как зависимость между r и Тк в узком интервале температур 2000…2100 К почти линейна, а удельное сопротивление провода можно считать постоянным, то время декарбидирования катода определяется следующим образом:

15