Электровакуумные приборы нужны для космической связи, радиолокации, будущих токамаков и сегодняшних СВЧ-печей на кухнях.

Линза из клея

Половина всей информации, которую передаёт человечество, путешествует по световодам, по оптоволокну. Поэтому понятно, как важно всё, что с ними связано. В стандартных одномодовых волокнах диаметр распространяющейся моды оптического излучения составляет 9 мкм при длине волны 1,55 мкм. Микросхемы, в которые нужно вводить излучение, имеют свои каналы для распространения излучения, но — меньшего диаметра. Кроме того, есть множество других ситуаций, когда излучение, доставленное по оптоволокну, нужно собрать в пятнышко в несколько раз меньшего диаметра. Естественное решение — сделать конец оптоволокна не плоским, а выпуклым, в виде линзы. Такое волокно называют линзованным. Причём желательно, чтобы линза была не сферическая, а гиперболическая — это уменьшает потери света при передаче до 10%. Способов сделать конец волокна нужной формы несколько, все они дороги и сложны.

Физики из Пермского государственного национального исследовательского университета взяли стальную иголку, остро её заточили (и не как попало, а по определённой технологии), окунули на определённую глубину в определённого размера каплю оптического клея (это им склеивают линзы в объективах; разновидностей клея много, важно выбрать правильный), а потом с этой иголки капнули на плоский конец оптоволокна (капля должна быть не какая угодно, а объёмом около 2 х 10^–7 мм³). Далее авторы подвергли каплю на конце оптоволокна действию высокочастотных колебаний (важна частота 10 кГц и амплитуда 1 мм), при которых капля приобретает чаемую гиперболическую форму, и посветили на неё ультрафиолетовой лампой (как в стоматологии и маникюрном деле). Клей полимеризовался, и произошло чудо — капля стала линзой необходимой формы.

Вот сколько надо подобрать условий, чтобы произошло чудо.

Кожевников В. С., Пономарёв Р. С., Шмырова А. И. Технология производства линзованного оптического волокна с использованием оптического клея. Приборы и техника эксперимента, 2022, № 6, с. 68.

Нелёгкая судьба контакта

Если прикинуть, сколько раз в день мы что-то включаем и выключаем, становится понятно, как важна надёжность работы выключателей. А в технике включают и выключают напряжения в десятки киловольт и токи в тысячи ампер, в сотни раз больше тех, с которыми мы имеем дело в быту. Когда два проводника соприкасаются (хоть в клавиатуре компьютера, хоть в рубильнике на подстанции, питающей город), они контактируют не по всей поверхности, а по малой её части, по так называемым контактным площадкам. Если по замкнутым контактам протекает большой ток, контакты вынуждены нагреваться, а контактные площадки, где плотность тока оказывается особенно велика, — нагреваться сильно. Вплоть до плавления, сваривания и невозможности разомкнуться. Измерить нагрев контактов, а тем более контактных площадок не всегда просто. По электротехническим правилам нагрев контакта характеризуют «интегралом Джоуля», то есть интегралом от квадрата тока за время его протекания. А что там происходит в контакте на самом деле?

Сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета решили разобраться, только ли от нагрева зависит поведение контактов. Они построили модель процессов в контакте с учётом силы нажатия на контакт, протекающего через него тока (зависимостью тока от времени) и изменения при нагреве электрических, тепловых и механических свойств материала (например меди). Оказалось, что два импульса тока, которые имеют разную форму, но формально должны нагревать контакт одинаково, делают это по-разному, причём разница температур в реальных условиях может достигать сотен градусов.

Хрестин А. В., Павлейно М. А., Сафонов М. С. Изменение характеристик контактных пятен при протекании токов короткого замыкания через замкнутые сильноточные электрические контакты. ЖТФ, 2023, вып. 1, с. 146.

Он эмитирует, а ей ни к чему

Электровакуумные приборы нужны для космической связи, радиолокации, будущих токамаков и сегодняшних СВЧ-печей (микроволновок) на кухнях. Главное в этих приборах — электронный пучок в вакууме. Электроны эмитируются (то есть испускаются) катодом, а для этого он должен иметь низкую работу выхода и быть нагрет. Чтобы иметь низкую работу выхода, требуется определённый состав (вольфрам, барий, кислород, некоторые другие элементы). При этом составе нагретый катод испаряет вещество, в основном барий. Испарение уменьшает срок службы катода, испарённое вещество вызывает пробои и попадает на сетку — она нужна для управления электронным пучком. Сетка, загрязнённая испарённым веществом и нагретая излучением катода, начинает сама эмитировать электроны благодаря термоэмиссии, а ещё у сетки есть вторично-электронная эмиссия — из-за попадания на неё части электронов, летящих с катода. Электронный пучок, на котором работает прибор, расширяется, и устройство перестаёт работать.

Покрытие после обработки фторсодержащей плазмой (изображение в атомно-силовом микроскопе).  Фото из реферируемой статьи.

Одно из лучших решений проблемы — покрытие сеток углеродом, причём покрытие должно быть шероховатым. Чем больше шероховатость, тем тоньше получается на сетке слой напылённого вещества, и его влияние на эмиссию уменьшается. Уменьшается с ростом шероховатости и вторично-электронная эмиссия — электроны перелетают с острия на остриё и в итоге поглощаются. Сотрудники Саратовского филиала Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова оптимизировали технологию покрытия катодов углеродом и обработали покрытие плазмой во фторсодержащей среде (CF4, 0,1 Па). Работа выхода увеличилась с 4,6 до 5,2 эВ, коэффициент вторичной эмиссии уменьшился вдвое.

Антиэмиссионных покрытий ждут не только сетки, но и коллекторы приборов. Барий с катода туда не долетает, но вторичная эмиссия там тоже важна.

Яфаров Р. К., Шабунин Н. О. Низкоэмиссионные углеродные покрытия для управляющих сеток электровакуумных приборов высокой мощности. Письма в ЖТФ, 2023, вып. 5, с. 36.

№3, 2023