Катод прямого накала и способ его изготовления

Изобретение относится к области электронно-вакуумной техники и может быть использовано, в частности, в рентгеновских трубках. Катод, имеющий основу из тугоплавкого металла, упрочненного путем легирования металлом, имеющим эмиссионные характеристики выше, чем металл основы, и слой материала, эмитирующего электроны, который выполнен из этого же легирующего металла или его сплава. Способ изготовления катода включает изготовление пластины, например, в виде фольги из тугоплавкого металлического сплава, способного в зависимости от температуры активироваться, термообработку в вакууме для его обезгаживания, активирование, при этом сплав изготавливают легированием основного металла металлом, имеющим эмиссионные характеристики выше, чем основной металл сплава, а на поверхности пластины после ее активации в вакууме до образования не менее одного монослоя легирующего металла формируют эмитирующий электроны слой заданной толщины из материала, выполненного из того же самого легирующего металла или его сплава. Технический результат: создание катода прямого накала, обладающего одновременно высокими прочностными характеристиками и обеспечивающего высокие эмиссионные характеристики при температурах в диапазоне 2000÷2200°С в высоком вакууме при работе в условиях циклических температурных и механических нагрузок. 2 н. и 7 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области электронно-вакуумной техники и может быть использовано, в частности, в рентгеновских трубках.

Известны оксидные катоды, содержащие оксидное покрытие на металлической подложке, представляющее собой окислы щелочноземельных металлов типа ВаО или более усовершенствованный смешанный барий-стронциевый окисел эквимолярного состава Ba_0,5Sr_0,5О. Оксидный катод работает обычно в диапазоне температур (900÷1100) К, при этом работа выхода электронов лежит в пределах 1,5÷1,8 эВ. При хорошей активации оксидный катод обладает эмиссией около 1 А/см² при температуре 1100 К. Однако такие плотности тока в непрерывном режиме практически не используются, т.к. оксидный катод обладает большим удельным сопротивлением ˜(1÷0,3)·10³ Ом·см, поэтому перегревается и распыляется. [см. Б.Я.Мойжес. Физические процессы в оксидном катоде. М., Наука, 1968 г., стр.14-16]. В импульсном режиме в этих катодах удается снимать токи до 100 А/см², однако длительность импульса не должна превышать нескольких микросекунд (˜3·10^-6 с).

Недостатком оксидного катода является то, что он отравляется при парциальном давлении кислорода в остаточной атмосфере вакуума более 10^-7 мм рт.ст., что известно как анодное отравление под влиянием газов, выделяемых с анода при его бомбардировке электронами с катода. Другим важным недостатком оксидного катода является склонность к испарению при подаче высокого напряжения (U>1 кВ или напряженность Е>1 кВ·см), что приводит к быстрому разрушению и отравлению катода. Известным недостатком является также некоторый разброс параметров катодов по эмиссии, контрастность по работе выхода, что затрудняет фокусировку электронного пучка.

Известен боридный катод, эмиссионный слой которого выполнен из гексаборида лантана (см. патент США №5703924, НКИ 378/136, опубл. 30.12.1997 г.). Недостатками этого катода являются деградация поверхности при ее бомбардировке ионами, особенно при высоких (более 50 кВ) анодных напряжениях, растрескивание и разрушение катода из-за низкой термопрочности борида при циклических условиях работы катода, избирательное (неконгруэнтное) испарение легкоплавкой компоненты, приводящее к неконтролируемому ухудшению эмиссионных характеристик катода.

Известно применение специальных тугоплавких сплавов в качестве эмиттеров устройств электронной техники. Эти сплавы, например, вольфрам-торий WTh, вольфрам-цирконий WZr обладают свойством активирования (изменения термоэмиссионной способности) в зависимости от режима термообработки. Механизм снижения работы выхода электронов заключается в образовании на поверхности сплава монослоя атомов более легкоплавкой компоненты. При этом эффективная работа выхода активированного сплава будет равна, по крайней мере, работе выхода легкоплавкой компоненты (см. Л.Н.Добрецов, М.В.Гомоюнова. Эмиссионная электроника. М., Наука, 1966 г., стр.178-189). В частности, известны катоды прямого накала, выполненные из торированного вольфрама. Адсорбированные атомы Th на поверхности получаются в пределах монослоя за счет диффузии атомов Th из объема торированного вольфрама, а степень покрытия определяется температурой поверхности при термообработке. Основным недостатком таких катодов является охрупчивание вольфрама оксидом тория, что приводит к разрушению катода особенно при циклических условиях работы катода. Кроме того, этот катод может работать только в ограниченном по уровню и узком интервале температур, при котором скорость испарения тория меньше, чем скорость его диффузии из объема к поверхности катода (см. Савицкий Е.М. и др. Электрические и эмиссионные свойства сплавов. М., Наука, 1978 г.).

Реализация некоторых эффективных конструкций современной электронной техники (в частности, рентгеновской техники) требует катодов, выполненных из материалов, обладающих повышенными не только эмиссионными, но и прочностными характеристиками. Так, катод рентгеновской трубки для компьютерного томографа в процессе эксплуатации испытывает циклические механические перегрузки до 35 G. В этом случае от материала катода требуется, кроме высоких эмиссионных характеристик, еще и высокое сопротивление ползучести. В другом случае, например, для ангиографии требуются токи эмиссии до 2,0 А при анодных напряжениях до 150 кВ в циклических импульсных условиях работы рентгеновской трубки.

Перечисленные катоды, а также известные способы их изготовления не предназначены для указанных условий эксплуатации, и при их использовании не могут быть решены требуемые задачи.

Перед авторами стояла задача создания катода прямого накала, обеспечивающего высокие (до 2 А) значения тока эмиссии при работе в условиях высокоинтенсивных циклических температурных и механических воздействий при высоких от 50 до 150 кВ анодных (ускоряющих) напряжениях в вакууме.

Поставленная задача достигается тем, что предложен катод, имеющий основу из тугоплавкого металла, упрочненного путем легирования металлом, имеющим эмиссионные характеристики выше, чем металл основы, и слой материала, эмитирующего электроны, который выполнен из этого же легирующего металла или его сплава. Основа катода может быть выполнена из сплава вольфрама, легированного танталом, ниобием, молибденом или гафнием, а слой, эмитирующий электроны, из соответствующего легирующего металла или его сплава с указанными металлами. Также основа катода и/или эмитирующий слой могут быть выполнены из материалов с монокристаллической структурой. Кроме того, основа вместе с эмитирующим слоем могут быть выполнены в виде плоской или вогнутой пластины, а на противоположной рабочей поверхности пластины формируют слой из того же материала, что и слой, эмитирующий электроны.

Поставленная задача достигается также тем, что заявляемый катод может быть изготовлен при помощи способа, который включает изготовление пластины, например, в виде фольги из тугоплавкого металлического сплава, способного в зависимости от температуры активироваться, термообработку в вакууме для его обезгаживания, активирование, при этом сплав изготавливают легированием основного металла металлом, который имеет более высокие эмиссионные характеристики, чем основной металл сплава, а на поверхности пластины после ее активации в вакууме до образования не менее одного монослоя легирующего металла формируют эмитирующий электроны слой заданной толщины из материала, выполненного из того же самого легирующего металла или его сплава. Активирование проводят с одновременным контролем работы выхода электронов путем измерения тока эмиссии при подаче разности потенциалов между пластиной и помещенной в вакуумную камеру фольгой, которая выполнена из легирующего металла или его сплава и которая в данном случае служит анодом, процесс активирования осуществляют до достижения максимального значения тока эмиссии, соответствующего величине работы выхода легирующего металла. Формирование эмитирующего электроны слоя материала до заданной величины может быть осуществлено путем испарения легирующего металла из фольги, служащей в данном случае и испарителем и анодом, после достижения максимального тока эмиссии при одновременном контроле температуры и тока эмиссии. Также формирование эмитирующего электроны слоя заданной величины может быть осуществлено с использованием методов диффузионной сварки или нанесением физическими или химическими способами. Термообработку для обезгаживания пластины и фольги проводят одновременно со смещением их поверхностей относительно друг друга в вакуумной камере.

Заявляемые авторами катод и способ его изготовления позволяют за счет новой совокупности признаков по сравнению с ранее известными, а именно упрочнение тугоплавкого металла основы катода легирующим металлом и формирование эмитирующего электроны слоя из этого же металла, получить новый результат - создать катод прямого накала, который обеспечивает высокие (до 2 А) значения тока эмиссии при работе в условиях высокоинтенсивных циклических температурных и механических воздействий при высоких от 50 до 150 кВ анодных (ускоряющих) напряжениях в вакууме, что позволит создавать рентгеновские трубки высокой мощности, катоды которых работают в условиях высокоинтенсивных тепловых и механических нагрузках, например, рентгеновские трубки для компьютерных томографов. Выбор легирующего металла, который упрочняет металл основы сплава и при этом имеет более высокие эмиссионные характеристики, чем металл основы, позволяет создать катод, который одновременно обладает высоким сопротивлением к деформации во время циклических тепловых и механических нагрузок во время работы и получать высокие (до 3 А) эмиссионные токи при относительно невысоких (до 2100°С) температурах эксплуатации, что обеспечивает продолжительный ресурс работы рентгеновской трубки при этих условиях. Формирование на поверхности, противоположной рабочей поверхности, слоя материала, аналогичного слою эмитирующего электроны, полезно для исключения деформации катода из-за биметаллического эффекта. В способе изготовления катода предусмотрена процедура активирования поверхности сплава легирующим металлом перед формированием слоя, эмитирующего электроны, заданной толщины из этого же металла. Это необходимо для обеспечения достаточной адгезии между материалом основы и слоем, эмитирующим электроны, при его формировании и эксплуатации. Кроме того, использование материала испарителя одновременно и в качестве анода при подаче разности потенциалов между ним и материалом катода позволяет контролировать качество и продолжительность процесса по основной эксплуатационной характеристике - работе выхода электронов материала рабочей поверхности катода.

Предлагаемый эмиттер изготавливают следующим образом.

Пластину, выполненную из вольфрама, легированного танталом в количестве 2÷4 вес.%, и фольгу, изготовленную из тантала, помещают в вакуумную камеру (можно одну фольгу между двумя пластинами или одну пластину между двумя фольгами). В данном случае танталовая фольга служит материалом-испарителем и одновременно анодом для измерения тока эмиссии. Смещают поверхности пластины и фольги друг относительно друга и проводят обезгаживание, нагревая их до температуры на 50÷100°С выше рабочей температуры эмиттера до 2200°С, выдерживают до получения и стабилизации исходного вакуума, затем снижают температуру фольги до произвольной величины менее 1000°С и устанавливают пластину и фольгу напротив друг друга, подают разность потенциалов, используя фольгу испарителя в качестве анода. Затем проводят активирование пластины, поднимая ее температуру и измеряя ток эмиссии пластины. При достижении температуры, равной 1500°С, при которой ток эмиссии начинает возрастать во времени, нагрев останавливают и контролируют возрастание тока эмиссии до установления его максимального значения. После завершения активирования нагревают испаритель до температуры испарения, выдерживают при этой температуре, измеряя эмиссионный ток до стабилизации его величины, равной эмиссионной характеристике (работе выхода электронов) материала испарителя.

Процесс проводят в течение 90 минут до получения заданной толщины (5 микрон) слоя, эмитирующего электроны, при температуре 1500°С.

В соответствии с описанным способом был изготовлен катод длиной 20 мм, шириной 7 мм, с прорезями шириной 100 микрон, содержащий основу из вольфрама, легированного танталом в количестве 4 вес.%, и эмитирующий электроны слой из тантала толщиной 5 микрон. Катод был испытан в интервале температур от 1500 до 2200°С и показал рекордные для катодов этого класса результаты: плотность тока эмиссии 3 А/см², ток эмиссии при Т=2100°С и при напряженности электрического поля 20 кВ·см, равный 1,6 А.

Данный пример не исчерпывает всех возможностей способа. Размеры эмиттера, толщины слоя, эмитирующего электроны, будут зависеть от конкретной технической задачи, то есть для создания рентгеновской трубки конкретного применения (компьютерная томография, ангиография, маммография и др.) и технических требований (ресурс, условия работы и т.д.)

Таким образом, предложен катод прямого накала для рентгеновских трубок, обладающий одновременно высокими прочностными характеристиками и обеспечивающий высокие эмиссионные характеристики при температурах в диапазоне 2000-2200°С в высоком вакууме при работе в условиях циклических температурных и механических нагрузок.

1. Катод прямого накала, включающий основу из тугоплавкого сплава и слоя материала, эмитирующего электроны, отличающийся тем, что основа выполнена из тугоплавкого металла, упрочненного путем легирования, по меньшей мере, одним металлом, имеющим эмиссионные характеристики выше, чем металл основы, при этом слой материала, эмитирующего электроны, выполнен из этого же легирующего металла или его сплава.

2. Катод по п.1, отличающийся тем, что основа выполнена из сплава вольфрама с металлом, выбранным из ряда тантал, ниобий, молибден, гафний, а слой, эмитирующий электроны, из соответствующего металла или сплавов указанных металлов.

3. Катод по п.1, отличающийся тем, что слой, эмитирующий электроны, и/или основа выполнены из материалов с монокристаллической структурой.

4. Катод по п.1, отличающийся тем, что основа вместе со слоем, эмитирующим электроны, выполнены в виде плоской или вогнутой пластины, а на поверхности противоположной формируют слой такого же материала, как и слой, эмитирующий электроны.

5. Способ изготовления катода, включающий изготовление пластины, например, в виде фольги из тугоплавкого металлического сплава, способного в зависимости от температуры активироваться, термообработку в вакууме для его обезгаживания и активирование, отличающийся тем, что сплав изготавливают легированием основного металла металлом, эмиссионные характеристики которого выше, чем основного металла сплава, а на поверхности пластины после ее активации до образования не менее одного монослоя легирующего металла формируют эмитирующий электроны слой заданной толщины из материала, выполненного из этого же легирующего металла или его сплава.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что активирование проводят с одновременным контролем работы выхода электронов путем измерения тока эмиссии при подаче разности потенциалов между пластиной и помещенной в вакуумную камеру фольгой, выполненной из легирующего металла и исполняющей при этом функции анода, до достижения максимального значения тока эмиссии, соответствующего величине работы выхода легирующего металла.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что после достижения максимального тока эмиссии продолжают процесс формирования слоя заданной толщины из легирующего металла путем его испарения из фольги с одновременным контролем температуры и тока эмиссии.

8. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что формирование эмитирующего электроны слоя заданной толщины осуществляют с использованием методов диффузионной сварки или нанесением слоя физическими или химическими способами.

9. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что термообработку для обезгаживания пластины и фольги проводят одновременно со смещением их поверхностей относительно друг друга в вакуумной камере.