СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОПОРИСТОГО КАТОДА Российский патент 1997 года по МПК H01J9/04 

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для изготовления металлопористых катодов (МПК), применяемых в электровакуумных приборах.

Известен способ изготовления МПК [1] включающий изготовление пористой заготовки катода из тугоплавкого металла (например вольфрама), пропитку ее медью, механическую обработку для получения заданной геометрии катода, пропитку его эмиссионно-активным веществом (например, барий-кальциевым алюминатом), зачистку эмитирующей поверхности катода от избытка эмиссионно-активного вещества. Недостатком известного способа является нарушение приповерхностного слоя катода во время механической обработки заготовки катода, проявляющееся в закрытии (затирании) части пор и изменении кристаллической структуры его эмитирующей поверхности, что приводит к ухудшению термоэлектронной эмиссии и эмиссионной однородности катода.

Проведенные эксперименты показали, что толщина деформированного слоя для разных типов МПК изменяется от 3 до 20 мкм.

В способе изготовления МПК [2] принятом за прототип, для улучшения термоэлектронной эмиссии и эмиссионной однородности катода деформированный при механической обработке поверхностный слой катода удаляется ионным травлением.

Недостатком этого способа является снижение устойчивости катода к воздействию паров воды при хранении катодов на воздухе перед монтажом их в приборы. Ионное травление эмитирующей поверхности МПК приводит к образованию на этой поверхности окислов щелочноземельных металлов, которые при взаимодействии с парами воды из воздуха гидратируют, что ухудшает эмиссионные свойства катода. Кроме того, использование операции ионного травления увеличивает трудоемкость способа изготовления МПК. Так, для удаления поверхностного слоя катода толщиной 10-20 мкм требуется 4-8 ч работы установки ионного травления.

Для повышения устойчивости катода к гидратации при хранении его на воздухе и сокращения времени его изготовления предложено удаление деформированного поверхностного слоя проводить после механической обработки пористой вольфрамовой заготовки катода, пропитанной медью, путем травления в подогретом до 65-75^oC водном растворе фтористоводородной кислоты с концентрацией 1: 1 (об.ч.).

Для определения оптимальных условий процесса травления были проведены исследования процесса травления заготовок катода при различных температурах раствора концентрацией 1:1 в течение 20 мин и при 70^oC в течение 20 мин при различных концентрациях раствора.

Заготовки МПК представляли собой диски диаметром 4,0 мм и высотой 1,6 мм из пористого вольфрамового штабика (пористость 25± 2%), изготовленные на токарном станке и затем пропитанные медью. Удельный вес заготовки (16,4±0,3)г/см³, поверхность 0,42 см².

За оптимальные условия процесса травления принимали концентрацию и температуру водного раствора фтористоводородной кислоты, при которых вес или толщина стравленного поверхностного слоя были максимальными при заданном времени травления (20 мин).

Вес стравленного поверхностного слоя заготовки катода определяли взвешиванием заготовки до и после процесса травления на аналитических весах с точностью до ±0,0005 г. Температура водного раствора фтористоводородной кислоты определялась термометром с точностью ±2^oC.

Толщину стравленного поверхностного слоя δ,см заготовки катода определяли по формуле:
,
где P_ст вес стравленного поверхностного слоя, равный разнице весов заготовки до и после травления, г;
d удельный вес заготовки, г/см³;
S площадь поверхности заготовки, см².

Результаты испытаний, усредненные по трем заготовкам катодов, приведены в табл. 1 и 2. Время травления 20 мин.

Как видно из таблиц, оптимальными условиями процесса травления заготовки МПК из пористого вольфрама, пропитанного медью, в растворе HF-H₂O являются:
состав раствора 1:1 (об.ч. нл);
температура раствора 70^oC.

Выбранные условия процесса травления заготовок МПК обеспечивают равномерность стравливания разнородных материалов заготовки катода-вольфрама и меди и максимальную скорость стравливания поверхностного слоя. Время удаления поверхностного деформированного слоя заготовки катода по предлагаемому способу зависит от толщины слоя. Так, например, при толщине деформированного слоя 15-20 мм это время составляет 20 мин, что более чем на порядок меньше времени удаления деформированного слоя ионным травлением.

Оценка влияния предлагаемого способа изготовления МПК на устойчивость его к гидратации проводилась по времени сохраняемости цвета эмитирующей поверхности катода при хранении на воздухе.

Испытанию подвергались два вида катодов торцевого типа с диаметром эмитирующей поверхности 5,5 мм, которые применяются в ЭВП СВЧ О-типа. Тип I катода был изготовлен в соответствии с аналогом [1] причем после зачистки поверхности катода от избытка алюмината проводилось травление поверхности катода на глубину ≈5 мкм. Тип II катода изготавливался заявленным способом, т. е. после операции механической обработки заготовки катода проведено стравливание поверхностного слоя на глубину 20 мкм во фтористоводородной кислоте с концентрацией 1:1 при 70^oC, что исключает необходимость проведения операции ионного травления. Толщина поверхностного слоя в 20 мкм, подлежащая стравливанию, была выбрана исходя из реальной толщины деформированного слоя по поверхности заготовки катода, равной 15-20 мкм, определенной на разломе заготовки измерением в РЭМ.

После изготовления оба типа МПК помещались в стеклянную бюксу на монтажно-сборочном столе монтажного участка и периодически (1 раз в 4 ч) визуально оценивалось изменение цвета эмитирующей поверхности катодов. Влажность и температура на монтажном участке во время испытаний равнялись 70% и 25^oC соответственно.

В результате гидратации окислов ЩЗМ на эмитирующей поверхности ее цвет изменяется и становится белесым с отдельными беловатыми пятнами.

Установлено, что время сохранения цвета эмитирующей поверхности стандартного МПК при хранении на воздухе в условиях монтажного участка (при влажности воздуха 70% и температуре 25^oC) равнялась 2 сут. а у МПК, изготовленного предлагаемым способом, равно 5 сут.

Исключение из технологии изготовления МПК операции ионного травления эмитирующей поверхности МПК и введение операции удаления поверхностного слоя заготовки катода (после ее механической обработки) путем травления во фтористоводородной кислоте с концентрацией 1:1 (об. ч.) при 70^oC существенно улучшают устойчивость МПК к гидратации при хранении на воздухе и сокращают время изготовления катода.

Таким образом, признаки заявленного технического решения являются существенными, так как находятся в причинно-следственной связи с достигаемым результатом.

Использование: в электронной технике для изготовления металлопористых катодов, применяемых в электровакуумных приборах. Сущность изобретения: удаление деформированного в результате механической обработки приповерхностного слоя заготовки катода из пористого вольфрама, пропитанной медью, проводят перед удалением из нее меди путем травления в водяном растворе фтористоводородной кислоты с концентрацией 1:1 при 65-75^oC. 2 табл.

Способ изготовления металлопористого катода, включающий получение пористой заготовки из вольфрама, пропитку ее медью, механическую обработку заготовки, удаление меди, пропитку барийкальциевым алюминатом, удаление деформированного приповерхностного слоя, отличающийся тем, что удаление деформированного приповерхностного слоя заготовки проводят перед удалением меди путем травления в водном растворе фтористоводородной кислоты с концентрацией 1:1 об.ч. при 65 75^oС.