СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДА ДЛЯ CO -ЛАЗЕРА Российский патент 1995 года по МПК H01J9/04 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в производстве лазеров, имеющих в составе газового наполнения СО₂.

Известен способ изготовления катода на основе окислов лантана (La), стронция (Sr), кобальта (Со). Катод работает как донор кислорода и регенератор СО₂ при непрерывном или периодическом нагреве его до температуры более 300^оС (см. В.Ю. Юров. Диссертация на соискание ученой степени кандидата ф. -м.н. "Физико-химические свойства среды и перспективные катоды отпаянных волноводных СО₂-лазеров", 1968, с. 140.

Основным недостатком катода, изготовленного таким способом, является то, что для эффективной его работы в условиях разряда в СО₂-лазере необходимо применять специальный подогреватель, так как за счет разрядного тока катод при достаточной массе разогревается до температур не выше 120^оС. Дополнительный подогреватель усложняет конструкцию как активного элемента лазера, так и источника его возбуждения.

Известен способ изготовления катода на основе окислов церия (-Ce) и кобальта (-Cо) (СеО₂ Cо₃О₄), заключающийся в смешивании СеО₂ с СоСО₃, их спекания при температуре 1300^оС с последующим окислением Се и Со до окислов СеО₂ и Со₃О₄ при температуре 350-950^оС и пропитке вещества катода элементом платиновой группы (см. заявку Японии N 63-146478, кл. Н 01 J 3/03, 1988).

Основным недостатком такого способа изготовления катода является высокая сложность технологии изготовления катода, обусловленная тем, что для спекания СеО₂ и СоСО₃ требуется специальная высокотемпературная вакуумная установка, а для получения исходного материала, из которого получаются окислы СеО₂ и Со₃О₄, оборудование для размола Се-Со конгломерата. Кроме того, окислы, входящие в состав такого катода при температурах 80-100^оС, характерных для катодов СО₂-лазеров, практически не взаимодействуют и не регенерируют сами по себе СО в СО₂, а процесс регенерации СО и О₂ в СО₂ под действием каталитического покрытия имеет тенденцию к затуханию по мере ухода кислорода вследствие процессов взаимодействия его со стенками разрядного капилляра и элементами внутренней арматуры разрядной трубки лазера. В результате деградации газовой смеси из-за убыли СО₂ неизбежна, если не обеспечить нагрев катода до температуры выше 300^оС, когда входящие в состав катода окислы СеО₂ и СоО₃ становятся донорами кислорода и обеспечивают регенерацию СО в СО₂.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления катода для СО₂-лазера, заключающийся в том, что из смеси порошков меди Сu и окисла меди СuО прессуют требуемой конфигурации катод, который подвергается прогреву в кислородосодержащей среде при температуре 500-550^оС в течение 0,5 ч, с целью спекания катода и окисления чистой меди, входящей в его исходный состав (см. В.В. Авдонькин. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. "Разработка стабилизаторов газового состава для отпаянных СО₂-лазеров, 1979, с. 171, г. Рязань).

Изготовленный этим способом катод, представляющий смесь окислов СuО и Cu₂О, является эффективным регенератором СО₂ в интервале температур 60-120^оС, характерных для холодных катодов СО₂-лазеров.

Регенерация СО₂ идет при этих температурах независимо от наличия кислорода в соответствии с реакциями:
CuO+CO ___→ Cu+CO₂ и Cu₂O + CO ___→ 2Cu + CO₂
Однако катод, изготовленный таким способом, эффективен как регенератор Со₂ лишь в маломощных (с мощностью излучения до 5 Вт) СО₂-лазерах, работающих при сравнительно небольших ( ≅ 40 мм рт.ст.) давлениях рабочей смеси и плотностях тока в столбе разряда, не превышающих 30-50 мА/см², когда скорость диссоциации СО₂ составляет величины порядка 10^-4 10^-3 см³ ˙ Тор/см² ˙ с и компенсация убыли СО₂ с такой скоростью обеспечивается катодом, разогреваемым до температур 60-120^оС. Указанное ограничение применяемости такого катода является основным недостатком его, так как в СО₂-лазерах, предназначенных для генерации более высокой мощности излучения, особенно при малых габаритах лазера, достигаемой за счет повышенных давлений рабочей смеси (100-120 мм рт. ст. ) и плотностей тока в столбе разряда (100-150 мА/см²), требуется 10^-3 10^-2 cм³ ˙ мм рт.ст./см² ˙ с).

Задачей изобретения является разработка способа изготовления катода для СО₂-лазера, являющегося одновременно низкотемпературным катализатором для окисления СО.

Цель изобретения повышение регенерационной способности катода.

Цель достигается тем, что в известном способе изготовления катода для СО₂, заключающемся в смешивании порошков меди С и окисла меди С₂О, формообразовании катода путем прессования и спекания в кислородосодержащей среде, спекание проводят при температуре 280-300^оС в течение 25-30 мин, наносят на внешнюю нерабочую поверхность катода каталитическое вещество на основе палладия и серебра, сушат его при температуре 100-120^оС в течение 100-150 мин, а затем припекают каталитическое вещество прогревом катода при температуре 530-550^оС в течение 15-20 мин в кислородосодержащей среде.

Повышение регенерационной способности катода достигается за счет формирования высокой пористости катода, обеспечивающей высокоразвитую поверхность для каталитического покрытия и, следовательно, число взаимодействующих на этой поверхности молекул СО и О₂, что повышает скорость регенерации СО₂.

Выбор каталитического вещества на основе палладия и серебра и их соотношение обусловлены тем, что обеспечивается максимальная эффективность регенераций СО₂ из СО и О₂, так как палладий является хорошим катализатором, а образующийся при припекании палладий серебряной пасты окисел серебра является эффективным низкотемпературным донором кислорода.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство соответствует требованию "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1-3 представлены графики изменения во времени: на фиг.1 степени диссоциации СО₂- α; на фиг.2 содержания СО₂ в рабочей смеси; на фиг.3 напряжение поддержания разряда U_r ˙ (N_CO2)_исх, (Ur)_исх исходные (первоначальные) значения соответственно СО₂ и U_r; N_CO2, N_CO, U_r текущие значения соответственно содержания СО₂, СО и напряжения, где 1 катод без каталитического покрытия; 2 катод с каталитическим покрытием.

Пример конкретного выполнения способа заключается в следующем. Путем смешивания порошкообразных меди Сu, окисла меди Cu₂О была приготовлена смесь 75% Cu 25% Сu₂О, из которой в пресс-форме при давлении прессования 400-500 кг/см² была сформирована втулка, предназначенная для использования в качестве катода в лазере с коаксиальным расположением катода и разрядного капилляра. Втулка нагревалась до температуры 280-300^оС и выдерживалась на воздухе при этой температуре 25-30 мин.

Указанная длительность и температура обусловлены тем, чтобы обеспечить полное окисление меди, входящей в исходный состав материала катода, и одновременно достаточно высокие значения механической прочности и более высокую, чем в известном способе изготовления, пористость катода, обеспечивающую высокоразвитую поверхность катода для каталитического покрытия. После окисления на внешнюю поверхность втулки, не соприкасающуюся при работе лазера с разрядом, наносился слой пасты ПР-20К, содержащий 7% Ag и 10% Pd. Покрытая пастой втулка высушивалась путем прогрева ее при температуре 100-120^оС в течение 100-150 мин. Выбранные температурный и временной режимы экспериментально определены для данного каталитического состава с целью достижения полного удаления из нее паров H₂O.

Ограничения температуры по максимуму (120^оС) обусловлены, во-первых, тем, чтобы исключить возможность восстановления окислов меди вследствие взаимодействия с парами воды, во-вторых полным осушением за указанный срок прогрева.

После осушения температуру втулки повышали до 530-550^оС и в течение 15-20 мин проводил в кислородсодержащей среде припекание каталитического серебро-палладиевого состава. Указанные температурный и временной интервалы определялись экспериментально и выбраны из условия получения максимальной скорости регенерации СО₂ при взаимодействии СО и О₂ с каталитической поверхностью катода.

Регенерационная способность изготовленного таким способом катода в диапазоне температур 50-100^оС характеризовалась диапазоном скоростей регенерации СО₂ 10^-2 1,0 см³ ˙ торр/см^2˙ с, т.е. в 10-100 раз превышающем диапазон скоростей регенерации катода на основе окислов меди, изготовленного известным способом.

Были проведены сравнительные испытания с применением масс-спектрометрического анализа макетов, работающих при плотностях тока в столбе разряда 110 мА/см² с катодом, изготовленным известным способом, и с катодом, изготовленным способом, предлагаемым в качестве изобретения. Испытания показали (фиг. 1), что степень диссоциации Со₂ в макете с катодом, изготовленным способом, предлагаемым в качестве изобретения, оставалась неизменной (близкой к оптимальной, не превышающей критичного значения 0,8) в течение срока наработки, превысившего 2000 ч, в то время как в таком же макете с катодом, изготовленным известным способом, степень диссоциации возросла до критического значения (0,8) по истечении срока наработки макета ≈250 ч.

Содержание СО₂ в приборе с катодом, изготовленным предлагаемым способом (фиг. 2) в процессе испытаний оставалось на высоком уровне, составляющем 60% от первоначального значения содержания СО₂; в другом приборе с катодом, изготовленным известным способом, содержание СО₂ резко снизилось через 250 ч испытаний и составило менее 10% от первоначального значения. (Содержание остальных компонентов рабочей смеси: Hе, N₂, Хе в обоих приборах в процессе испытаний практически не изменилось по сравнению с их первоначальными значениями).

Напряжение поддержания разряда (фиг.3) в приборе с предлагаемым катодом с каталитическим покрытием в процессе испытаний снизилось на 10% в другом приборе с катодом без каталитического покрытия на 40%
Предлагаемый способ изготовления катода позволяет повысить стабильность характеристик СО₂ приборов и увеличить их долговечность и может быть использован в производстве СО₂-лазеров повышенной мощности, следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Использование: в квантовой электронике, в частности в производстве лазеров, имеющих в составе газового наполнения CO₂. Сущность изобретения: в способе изготовления катода, заключающемся в смешивании порошков меди и окисла меди, формообразовании его путем прессования и спекании прогревом в кислородсодержащей среде, спекание проводят при температуре 280 - 300°С в течение 25 30 мин, наносят каталитическое вещество на основе палладия и серебра на внешнюю нерабочую поверхность катода, сушат его при температуре 100 120°С в течение 100 150 мин, а припекание каталитического вещества осуществляют прогревом катода при температуре 530 550°С в течение 15 20 мин. Изготовленный таким способом катод имеет пористую структуру, которая обеспечивает большую поверхность для каталитического покрытия на основе палладия и серебра и взаимодействия на этой поверхности молекул СО и O₂. что значительно повышает скорость регенерации CO₂. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КАТОДА ДЛЯ CO₂- -ЛАЗЕРА, заключающийся в смешивании порошков меди и окисла меди, формообразовании его путем прессования и спекания в кислородсодержащей среде, отличающийся тем, что спекание проводят при 280 300^oС в течение 25 30 мин, после него наносят на внешнюю нерабочую поверхность катода каталитическое вещество на основе палладия и серебра, сушат его при 100 120^oС в течение 100 150 мин, а затем припекают прогревом катода при 530 550^oС в течение 15 20 мин в кислородсодержащей среде. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каталитическое вещество содержит 7 мас. серебра и 10 мас. палладия.