П Рис.2.14.5. Матричный катод. 1 – губка с рабочим веществом, 2 - подогреватель, 3 – корпус. Рессованный или матричный катод, импрегнированный катод

В отличие от металлокапиллярного катода матричные катоды не имеют отдельной камеры для активного вещества (рис2.14.5). Оно находится в порах вольфрамовой или никелевой губки. Для этого смесь порошков губки и активного вещества спрессовывается и затем спекается в вакууме или атмосфере водорода. Чтобы снизить трудности, связанные с газоотделением, иногда используют алюминат бария, который при нагревании разлагается по схеме:

Ba₃Al₂O₆BaO+BaAl₂O₄

Спекание вольфрама с алюминатом является сложным процессом, поскольку алюминат – легкоплавкий материал. Технологическая операция по внедрению алюмината в вольфрамовую губку может быть осуществлена более простым способом. Вольфрамовую губку пропитывают медью. Это придает губке прочность, что позволяет провести механическую обработку для придания катоду нужной конфигурации. После этого в вакууме медь испаряют, а затем катод погружают в жидкий алюминат, который заполняет пустоты. Катоды, полученные по такой технологии, называют импрегнированными.

Эффективным оказалось покрытие поверхности атомами осмия [23]. Это так называемый «магический» катод. Его работа выхода на 0,2-0,3 эВ ниже, чем у L-катода. Применение таких катодов сдерживает только повышенная токсичность оксида OsO₄.

Разработанные к настоящему времени эффективные катоды различаются по предельной плотности тока, рабочей температуре, сроку службы и ряду других параметров. Некоторое представление дает сравнение температурных зависимостей плотности тока для некоторых эффективных катодов, приведенных на рис.2.14.6 [24]. Выбор оптимального катода определяется требованиями, которые зависят от конкретного устройства.

2 Рис.2.14.6.Зависимости плотности термоэмиссионного тока от температуры для некоторых эффективных катодов [24]. .14.3.Чистые металлы

Термоэмиссионные катоды широко применяются в исследовательских приборах. Требования к ним несколько отличаются от предъявляемых к катодам, используемым в промышленности. Обычно они работают в высоком вакууме и, следовательно, адсорбционные процессы и ионная бомбардировка оказывает меньшее воздействие на их характеристики. Кроме того, величина потребляемой мощности не играет решающей роли. Наиболее существенным требованием, предъявляемым к ним, я

Таблица 2.14.2. Работа выхода поликристаллических тугоплавких металлов, температура, необходимая для предотвращения адсорбции [25], температура Т₃, необходимая для получения плотности тока j=3 A/см², и скорость испарения материала при этой температуре [24].

Металл	, эВ	Tp, К	Т3, К	Скорость испарения при Т3 (мг/см2·с)
Nb	4.02±0.05	1500	2560	0,42
Mo	4.39±0.04	1960	2580	14,0
Ta	4.28±0.05	1800	2585	0,043
W	4.54±0.06	1950	2780	0,043
Re	4.96±0.04	1740	2590	<0,043

вляется возможность восстановления свойств катода после его контакта с атмосферой. Вскрытие экспериментальной установки в процессе ее работы неизбежно. Поэтому использование эффективных катодов, которые на воздухе необратимо утрачивают полезные свойства, оказывается не рациональным, поскольку требуют замены. Предпочитают использовать проволоки из тугоплавких металлов. В этом случае достаточно высокотемпературного прогрева для полного восстановления эмиссионной способности катода. Кроме того, тугоплавкие катоды обладают высокой энергией испарения. Это снижает вероятность напыления чужеродных частиц на образец, который обычно находится в зоне прямой видимости катода. В этом отношении они выгодно отличаются от эффективных катодов, в состав которых входят щелочные или щелочноземельные атомы, имеющие низкую температуру испарения.

В табл.2.14.2 приведены величины работы выхода наиболее часто используемых металлов, а также температур, выше которых можно считать поверхность катода свободной от адсорбированных газов при давлении в приборе 10^-7тор [25].

Конечно, желательно использовать материалы с наименьшей работой выхода. Это связано с возможностью получения нужного тока при меньшей температуре, следовательно, с меньшим разбросом электронов по энергии. Наименьшую  среди тугоплавких металлов имеют Ta и Nb, однако они же и наиболее подвержены воздействию кислорода. Помимо изменения работы выхода при адсорбции кислорода происходит образование оксидов. Процесс идет особенно интенсивно при контакте с атмосферой. Оксиды имеют невысокую температуру испарения. В результате происходит утоньшение проволок, что требует изменения режима питания катода, поскольку с уменьшением эффективной площади эмиссии приходится увеличивать температуру для получения прежнего значения тока. Ужесточение температурного режима сокращает срок службы. Поэтому, несмотря на высокую работу выхода наиболее предпочтительным является рений. Он химически наиболее стабилен по отношению к кислороду и обладает хорошими механическими свойствами (не охрупчивается после прогрева в отличие от вольфрама). Это обеспечивает продолжительное время жизни катода и удобство при манипуляциях с элементами приборов. Существенной величиной является и скорость испарения атомов металла при рабочей температуре. Из данных, приведенных в табл.2.14.2, видно, что рений и по этому параметру является наилучшим среди тугоплавких металлов.