Способ изготовления импрегнированного катода

Изобретение относится к области электровакуумных приборов, в частности к способу изготовления импрегнированных катодов. Способ изготовления импрегнированных катодов заключается в том, что порошок W замешивают на рениевой кислоте (HReO₄) до пастообразного состояния, укладывают эту пасту на керн катода из Мо, W или их сплавов с Re с очищенной и разрыхленной поверхностью и спекают при температуре 1800±50°С в атмосфере водорода в течение 3-5 минут, после чего пропитывают термоэмиссионно-активным веществом и зачищают безводной шлифовкой. Технический результат: упрощение технологии изготовления катодов, а также снятие ограничений на их размеры и формы. Работа выхода катода не более 2 эВ, долговечность при температуре 1150°С больше 11000 часов.

 

Изобретение относится к области электровакуумных приборов, в частности к способу изготовления катодов.

Способ изготовления импрегнированных катодов, впервые предложенный Леви, сложен и дорог в исполнении, однако, высокие термоэмиссионные свойства таких катодов оставляют за ним высокую технологическую нишу в электронной промышленности. Тем не менее, стремление упростить способ Леви или создать катоды с большей плотностью тока эмиссии до сих пор не оставляет изобретателей.

Так фирмой "Varian Ass" предложен металлопористый катод для эмиттерных СВЧ-ламп (приор. 27.05.77 г., США, 800837, пат. Вел. 1586664, кл. HJD, H 01 j 1/14, 9/04 от 14.06.77).

Катод представляет собой металлическую губку, состоящую из прессованной смеси частиц вольфрама и иридия, пропитанных расплавленным алюминатом бария (ВаО, Al₂О₃, СаО). Кроме того, в состав губки в качестве добавок могут входить окислы щелочноземельных металлов. Оптимальное количество Ir составляет 20%, а максимальная плотность тока - 10 А/см².

Такой катод имеет дорогую и трудоемкую в изготовлении губку, что делает его неконкурентоспособным.

Несколько позже та же фирма "Varian Ass" запатентовала (приор. 29.10.81, США, 316247, пат. Вел. 2109157 кл. HjD от 28.10.82, Фр. 2515869 H 01 j 1/20 от 29.10.82, ФРГ 3238817, Кл. H0j j 45/00 от 20.10.82) катод, у которого для изготовления губки можно уменьшить применение Ir, Os, Ru, Re в качестве термоэмиссионо-активного материала.

Катод изготавливают следующим образом. Порошки W и Мо смешивают, прессуют и спекают в таблетку, которую потом обрабатывают. Далее делают смесь из ВаО, Al₂О₃, СаО, Мо, Ir, Os, Ru, Re и нагревают ее до 1100°С в течение времени, необходимого для образования интероксидного соединения ВаО, Al₂О₃, СаО, Мо. Затем алюминат щелочноземельного металла и интероксидное соединение смешивают и пропитывают таблетку.

Авторы этого изобретения считают, что такой катод может обеспечить плотность тока эмиссии до 15 А/см², но это, во-первых, не принципиальное увеличение плотности тока эмиссии, а, во-вторых, сложность технологического процесса не снижалась, а возросла.

Импрегнированные катоды в виде покрытий встречаются редко. Это связано с тем, что в виде покрытия надо наносить тугоплавкий вольфрам с требуемой пористостью. Для этого, например, используют дуговые плазмотроны. В них в электрическую дугу выдувают инертным газом из межэлектродного пространства и в факел вводят порошок вольфрама заданного гранулометрического состава, который за время пребывания в факеле дуги размягчается, ускоряется и наносится на подложку, установленную по направлению скоростного потока, при этом на подложке образуется пористый слой вольфрама. Потом этот слой пропитывается термоэмиссионным веществом и шлифуется под заданный размер и форму (В.А.Смирнов, Х Юбилейная научно-техническая конференция "Вакуумная наука и техника", т.2. Крым, 2003 г.).

Недостатками такого способа изготовления импрегнированного катода являются:

- сложность и дороговизна оборудования;

- напыление можно наносить на подложки только простейшей формы достаточно больших размеров, расположенных перпендикулярно к направлению движения частиц в плазменной струе или при небольшом отклонении от этого направления. Поверхности, расположенные по направлению движения частиц в струе плазмы, не покрываются. Кроме того, на характер покрытия значительное влияние оказывают неконтролируемые турбулентные потоки в плазменной струе;

- нет возможности контролировать основные технологические параметры импрегнированного катода - пористость и привес;

- для нанесения покрытия на подложку требуется достаточно дорогая термостойкая оправка.

Поэтому метод изготовления вольфрамового пористого покрытия имеет очень ограниченное применение.

Фирмой "Thomson CSF" заявлен катод (приор. 09.11.79, Фр. 7927715, пат. США 4393328, кл. 313-346R, H 01 j 1/14 от 12.07.83, Фр. 2469792, кл. H 01 j 1/13, 9/04 от 09.11.79), взятый нами за прототип, который рассчитан на плотность тока эмиссии 10-20 А/см² в диапазоне температур 1300-1350 К. Здесь губка делается из смеси порошков W и одного из металлов Ir, Os, Rh, Ru путем прессования усилием (7-10)·10³ кг/см², спекания в течение 12 часов в водороде при температуре 1100-1300°С, а затем спекания в вакууме при температуре 1800-1900°С. Далее катод пропитывается алюминатом бария и кальция.

В приведенных выше аналогах используются сложные технологические операции изготовления катода, что требует уникального оборудования. К таким операциям относится достижение давления (7-10)·10³ кг/см², близкого к пределу по текучести материала пресс-формы.

Сложно реализовать в промышленном производстве и вакуумный отжиг при температуре 1800-1900°С.

Все это подтверждает, что приведенные аналоги не имеют больших отличий от метода Леви, который также требует для получения губки сверхвысоких давлений (до 2·10³кг/см²) и высоких температур при спекании в водороде (до 2100°С).

Целью изобретения является упрощение технологии изготовления катода, увеличение его срока службы, а также возможность использования катода разнообразной формы.

Губка для катода делается из вольфрамовой пасты, замешанной на рениевой кислоте (HReCO₄), которая наносится на разрыхленную поверхность керна из Мо, W или их сплавов с Re, уплотняется вибрацией (или другим способом), а более тонкие слои возможно обеспечить без вибрации, затем спекается в водороде при температуре 1800±50°С в течение 3-5 минут. После чего полученную губку пропитывают алюминатом бария, зачищают и придают требуемую форму безводной шлифовкой.

Спекание вольфрамового порошка при достаточно низкой для этого процесса температуре (1800±50°С) и очень короткой выдержке (в течение 3-5 минут) обеспечивается в результате того, что рениевая кислота при нагреве диссоциирует на воду и атомарный рений, который, в силу своей высокой активности, связывает зерна вольфрама в достаточно прочную губку. Работа выхода эмитирующей поверхности катода увеличивается за счет обогащения рением поверхности зерен вольфрама, что повышает их работу выхода, увеличивает ее площадь и энергию адсорбции к барию. Последнее увеличивает степень покрытия поверхности губки барием, снижая работу выхода катода до 2 эВ и ниже, что обеспечивалось до сих пор нанесением на поверхность катода пленок Os, Os-Ir, Os-Ir-Al.

Толщина покрытия зависит от запланированной долговечности катода. В наших экспериментах такой катод с толщиной импрегнированного слоя ˜0,2 мм на керне из сплава ВР-20 при температуре 1150°С показал долговечность более 10500 часов, что превышает срок службы известных катодов ˜ в 10 раз (эксперимент продолжается) при сохранении работы выхода эмитирующей поверхности на уровне ˜2,0 эВ.

Использование изобретения позволит существенно упростить технологию изготовления импрегнированных катодов, снимает ограничение на их размеры и формы.

Способ изготовления импрегнированного катода, включающий изготовление пористой вольфрамовой губки и пропитку ее термоэмиссионно активным веществом, отличающийся тем, что порошок вольфрама замешивается на рениевой кислоте до пастообразного состояния, укладывается эта паста на керн катода из Мо, W, или их сплавов с Re с очищенной и разрыхленной поверхностью и уплотняется, спекается в водороде при температуре 1800±50°С в течение 3-5 мин, пропитывается термоэмиссионно активным веществом и зачищается безводной шлифовкой.