Двухслойный металлопористый катод и способ его изготовления

Изобретение относится к электронной технике, в частности к металлопористым катодам (МПК) электронных приборов СВЧ с повышенным сроком службы и надежностью. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение долговечности металлопористого катода. Технический результат достигается тем, что в торцевую часть металлопористого катода, выполненного в виде корпуса из тугоплавкого металла (молибдена), установлена двухслойная пористая губка с разной плотностью слоев. Основной эмитирующий слой губки плотностью 78-80% состоит из порошка вольфрама с зерном 1-2 мкм или смеси порошков (20% осмия, иридия или рения и 80% вольфрама с зерном 1-2 мкм) и пропитан активным веществом состава, имеющим скорость испарения ниже скорости испарения подпитывающего слоя (например, составом 5BaO3CaO2Al₂O₃). Подпитывающий слой губки с плотностью 60-65% состоит из порошка вольфрама с зерном 4-8 мкм и пропитан активным веществом, имеющим скорость испарения выше скорости испарения основного слоя (например, составом 3ВаО0,5CaOAl₂O₃). Снаружи губка покрыта металлом или смесью металлов платиновой группы (например, пленкой композиции Os+Ir+Al). Кроме того, технический результат достигается тем, что в способе изготовления металлопористого катода, включающем формирование корпуса из тугоплавкого металла и вольфрамовой губки, первоначально готовятся составы для приготовления слоев тугоплавкой матрицы: основной эмитирующий слой, который имеет в своем составе порошок вольфрама с зерном 1-2 мкм или смесь порошков (20-50% осмия, иридия или рения и 80-50% вольфрама с зерном 1-2 мкм), и подпитывающий слой из порошка вольфрама с зерном 4-8 мкм. Сначала прессуется основной слой в пресс-форме для изготовления двухслойных катодов при давлении, обеспечивающем плотность 78-80%, после чего в него впрессовывается подпитывающий слой при давлении, обеспечивающем плотность 60-65%. После спекания полученной двухслойной губки сначала пропитывают подпитывающий слой активным веществом, имеющим скорость испарения выше скорости испарения активного вещества основного слоя. Затем пропитывают основной слой губки активным веществом, имеющим скорость испарения ниже скорости испарения активного вещества подпитывающего слоя. После этого двухслойную губку обрабатывают механически и закрепляют в молибденовом корпусе с помощью пайки, проводят ее механическую дообработку вместе с корпусом и наносят на эмитирующую поверхность пленку из металла или смеси металлов платиновой группы. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к металлопористым катодам (МПК) электронных приборов СВЧ с повышенным сроком службы и надежностью.

Известны конструкции двухслойных металлопористых катодов [Новые диспенсерные катоды китайских разработчиков / Новости СВЧ-техники, 2008, №3, с. 19-22], состоящие из двух слоев вольфрамовой губки с разной пористостью, пропитанных алюминатом бария-кальция.

Кроме того, известно [Бейнар К.С., Вирин Я.Л., Дюбуа Б.Ч. / Металлопористые катоды со слоистой структурой / Электронная техника, Сер. 1, Электроника СВЧ, №5, 1980, с. 58-60], что для снижения скорости испарения активного вещества и работы выхода электронов основной слой двухслойной губки формируется из смеси порошков осмия и вольфрама.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ изготовления термокатода электронного прибора [Авторское свидетельство SU 1176761], включающий формирование, по крайней мере, двухслойной губки из тугоплавкого металла, причем первый слой губки с эмитирующей поверхностью имеет меньшую пористость и толщину по сравнению с расположенным под ним вторым слоем, пропитку заготовки эмиссионным материалом на всю глубину и механическую доработку до конечных размеров. Достоинством данного изобретения является существенное повышение долговечности МПК по сравнению с однослойными. К недостаткам данного способа можно отнести то, что долговечность катода, несмотря на наличие подпитывающего слоя, будет ограничена скоростью испарения активного вещества, которым пропитана вся губка катода.

Вышеизложенные известные технические решения не могут обеспечить достаточный уровень долговечности при современных повышенных требованиях по плотности тока.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение долговечности металлопористого катода.

Технический результат достигается тем, что в торцевую часть металлопористого катода, выполненного в виде корпуса из тугоплавкого металла (молибдена), установлена двухслойная пористая губка с разной плотностью слоев. Основной эмитирующий слой губки плотностью 78-80% состоит из порошка вольфрама с зерном 1-2 мкм или смеси порошков (20% осмия, иридия или рения и 80% вольфрама с зерном 1-2 мкм) и пропитан активным веществом состава, имеющим скорость испарения ниже скорости испарения подпитывающего слоя (например, составом 5BaO3CaO2Al₂O₃). Подпитывающий слой губки с плотностью 60-65% состоит из порошка вольфрама с зерном 4-8 мкм и пропитан активным веществом, имеющим скорость испарения выше скорости испарения основного слоя (например, составом 3ВаО0,5CaOAl₂O₃). Снаружи губка покрыта металлом или смесью металлов платиновой группы (например, пленкой композиции Os+Ir+Al).

Кроме того, технический результат достигается тем, что в способе изготовления металлопористого катода, включающем формирование корпуса из тугоплавкого металла (молибдена) и вольфрамовой губки, первоначально готовятся составы для приготовления слоев тугоплавкой матрицы: основной эмитирующий слой, который имеет в своем составе порошок вольфрама с зерном 1-2 мкм или смесь порошков (20-50% осмия, иридия или рения и 80-50% вольфрама с зерном 1-2 мкм), и подпитывающий слой из порошка вольфрама с зерном 4-8 мкм. Сначала прессуется основной слой в пресс-форме для изготовления двухслойных катодов при давлении, обеспечивающем плотность 78-80%, после чего в него впрессовывается подпитывающий слой при давлении, обеспечивающем плотность 60-65%. После спекания полученной двухслойной губки сначала пропитывают подпитывающий слой активным веществом, имеющим скорость испарения выше скорости испарения активного вещества основного слоя. Затем пропитывают основной слой губки активным веществом, имеющим скорость испарения ниже скорости испарения активного вещества подпитывающего слоя. После этого двухслойную губку обрабатывают механически и закрепляют в молибденовом корпусе с помощью пайки, проводят ее механическую дообработку вместе с корпусом и наносят на эмитирующую поверхность пленку из металла или смеси металлов платиновой группы.

Двухслойный МПК может быть изготовлен следующим образом. Сначала прессуется основной слой из вольфрамового порошка марки ВЧДК фр. Б в пресс-форме для изготовления двухслойных катодов, после чего в него впрессовывается подпитывающий слой из вольфрамового порошка ВЧДК фр. А, и губка проходит процесс спекания, после чего на основной слой полученной двухслойной губки насыпают активное вещество, имеющее скорость испарения ниже скорости испарения активного вещества подпитывающего слоя, например, состава 5BaO3CaO2Al₂O₃0,3Sc₂O₃, и проводят пропитку. Затем губку переворачивают, помещают в молибденовую лодочку, засыпают активным веществом, имеющим скорость испарения выше скорости испарения основного слоя, например, состава 3ВаО0,5CaOAl₂O₃, и проводят пропитку подпитывающего слоя. После этого двухслойная губка проходит механическую обработку, а затем наносится покрытие, например, ионно-плазменным способом состава Os+Ir+Al.

Повышение долговечности двухслойного МПК по изобретению осуществляется за счет того, что для пропитки подпитывающего слоя применяется активное вещество с повышенной скоростью образования бариевой компоненты, ведущей к повышению давления бария в подпитывающем слое и за счет этого повышению потока атомов бария из подпитывающего слоя в основной при обеднении бариевой компоненты в процессе эксплуатации катода для восстановления количества бария в основном слое губки, который пропитан активным веществом с более низкой скоростью образования бария, но в то же время достаточной для обеспечения требуемой эмиссионной способности катода на начальных этапах срока службы.

Кроме того, повышению долговечности двухслойного катода способствует применение в основном слое губки порошка тугоплавкого металла с меньшим по сравнению с подпитывающим слоем средним размером зерен (2 мкм и 6 мкм соответственно), т.к. в этом случае уменьшается потеря бария испарением через поток Кнудсена и увеличивается миграционный поток бария по поверхности основного слоя, способствуя активированию эмиссионной поверхности [Дюбуа Б.Ч., Култашев O.К., Поливникова О.В. Эмиссионная электроника, нанотехнология, синергетика (к истории идей в катодной технологии) / Электронная техника, Сер. 1, СВЧ-техника, вып. 4(497), 2008, с. 3-22].

Источники информации

1. Новые диспенсерные катоды китайских разработчиков / Новости СВЧ-техники, 2008, №3, с. 19-22.

2. Бейнар К.С., Вирин Я.Л., Дюбуа Б.Ч. / Металлопористые катоды со слоистой структурой / Электронная техника, Сер. 1, Электроника СВЧ, №5, 1980, с. 58-60.

3. Авторское свидетельство SU 1176761.

4. Дюбуа Б.Ч., Култашев O.К., Поливникова О.В. Эмиссионная электроника, нанотехнология, синергетика (к истории идей в катодной технологии) / Электронная техника, Сер. 1, СВЧ-техника, вып. 4(497), 2008, с. 3-22.

1. Двухслойный металлопористый катод, выполненный в виде корпуса из молибдена и закрепленной в нем двухслойной пористой губки, пропитанной активным веществом на основе алюминатов бария-кальция, причем основной (эмитирующий) слой губки имеет плотность больше плотности подпитывающего слоя, отличающийся тем, что основной слой состоит из вольфрамового порошка со средним размером зерна 1-2 мкм, имеет плотность 78-80% и пропитан алюминатом бария-кальция с пониженной скоростью испарения активного вещества по сравнению с алюминатом подпитывающего слоя, состоящего из вольфрамового порошка со средним размером зерна 4-8 мкм и имеющего плотность 60-65%, а на эмитирующей поверхности двухслойной пористой губки расположена пленка металла или смеси металлов платиновой группы (Os, Ir, Ru).

2. Катод по п. 1, отличающийся тем, что основной слой состоит из смеси вольфрамового порошка и металла платиновой группы (Os, Ir) или Re.

3. Катод по п. 1, отличающийся тем, что между основным слоем и пленкой металла или смеси металлов платиновой группы расположен диффузионный барьер из пленки Re или Ir толщиной 0,2 мкм.

4. Способ изготовления двухслойного металлопористого катода, включающий формирование молибденового корпуса и двухслойной губки, отличающийся тем, что после прессования двухслойной губки в специальной пресс-форме и ее спекания проводится пропитка подпитывающего слоя алюминатом бария-кальция с повышенным содержанием бариевой компоненты, после чего пропитывают основной слой алюминатом бария-кальция с меньшим содержанием бариевой компоненты по сравнению с подпитывающим слоем, затем двухслойную пропитанную губку механически обрабатывают, закрепляют пайкой в корпусе катода, механически дорабатывают вместе с корпусом катода и наносят на эмитирующую поверхность катодным распылением покрытие из смеси металлов платиновой группы.