СПОСОБ СНИЖЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ВТОРИЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ Российский патент 1997 года по МПК H01J9/14 H01J23/27 

Изобретение относится к вакуумной электронной технике и может быть использовано в лучевых СВЧ приборах, например, лампах бегущей волны (ЛБВ), клистронах, преимущественно при изготовлении многоступенчатых коллекторов с рекуперацией энергии.

Известна потребность в материалах с пониженным коэффициентом вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) при производстве ЭВП СВЧ для изготовления токовоспринимающих электродов. К настоящему времени нашли применение различные способы снижения КВЭЭ с электродов в коллекторах с рекуперацией энергии, а именно, выбор материала электрода или использование способа обработки его поверхности. При этом эффект от применения материала с пониженным КВЭЭ достигается за счет уменьшения обратного тока на замедляющую систему (корпус) и высоковольтные ступени коллектора.

В литературе описаны различные способы снижения КВЭЭ, преимущественно использующие углерод (графит), как материал для выполнения токовоспринимающей поверхности электрода коллектора:
Ramins P. Kosmahl H.G. Force D.A. et al. Verification of an improved computational design procedure for TWT-dynamic refocuser MDC systems with secondary electron emission losses // IEEE Transactions on Electron Devices. - vol.ED-33, N 1, 1986, p.85-90.

Наиболее близкими аналогами предлагаемого изобретения являются способы снижения КВЭЭ токовоспринимающей поверхности путем применения технологии поверхностного текстурирования углерода на электродах, изготовленных целиком из графита или текстурированием углерода на нанесенном углеродном покрытии на медном электроде, или ионное текстурирование медных электродов коллектора (Curren A.N. Carbon and carbon-coated eletrodes for multistage depressed collectors for electron-beam devices a technology review // IEEE Transactions on Electron Devices. 1986. vol.ED-33. N 11, p.1902-1914). Хотя обработка медной поверхности создает уровень вторичной эмиссии, пониженной только в сравнении с уровнем необработанной меди, тем не менее даже он желателен для электродов высокоэффективного коллектора.

Технологии изготовления электродов коллектора, "опирающиеся" на углерод, не нашли широкого применения, потому что, по мнению авторов заявки, технология соединения углеродных поверхностей с диэлектриком, применяемым для изоляции электродов коллектора от корпуса прибора, недостаточно разработана. Известный метод пайки углерода требует особой вакуумной печи, т.к. применяемый твердый припой содержит активный металл титан, который разрушается в среде водорода. Вакуумные печи имеют более длительный цикл пайки и потребляют большую мощность.

Кроме того, технология изготовления электродов из углерода в вакуумном производстве требует организации специального участка из-за опасности распространения углеродной пыли при формообразовании электродов на механообрабатывающем оборудовании.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа снижения коэффициента вторичной электронной эмиссии материала, оставаясь в пределах отлаженного вакуумного производства ЭВП СВЧ.

Поставленная задача решается химической обработкой медно-молибденового сплава для создания на его поверхности шероховатости определенной глубины, для чего материал обрабатывают в реактиве, содержащем химические реагенты, избирательно растворяющие один из компонентов двухфазного сплава (А.М.Акимова, Р.Ф.Козлова, В.Б.Рабкин, А.П.Перескокова Очистка деталей из молибдено-медных сплавов МД15НП, МД40Н и МД50. Электронная техника. Сер. "Материалы", 1975, вып.2, с.44-48.)
В качестве материала для снижения КВЭЭ при изготовлении электродов коллекторов возможно использование молибдено-медных сплавов с различным содержанием меди, т.к. эти материалы прецизионно "согласованы" по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с диэлектриками, применяемыми в ЭВП СВЧ и широко используются в металлокерамических спаях. (В.Б.Рабкин, Р. Ф. Козлова. Свойства и перспективы применения молибдено-медно-никелевых сплавов для ненапряженных спаев с керамикой. - Электронная техника. Сер. "Материалы", 1976, вып. 6, с. 3)
Это качество сплава, а также удовлетворительная теплопроводность (особенно сплава, содержащего медь и молибден в равных по объему долях) делает его пригодным для изготовления коллектора и получения ненапряженных спаев электрода с корпусом прибора. При значительной удельной тепловой нагрузке на коллектор обычно выбирают изолятор, крепящий электрод коллектора к корпусу лампы, из окиси бериллия. В этом случае вышеуказанный сплав согласован по ТКЛР с окисью бериллия. Кроме того, обладая лучшей теплопроводностью, этот сплав обеспечивает требуемый теплоотвод от электрода коллектора на корпус прибора.

Следует пояснить, микроструктура сплава типа МД представляет собой медную матрицу, армированную зернами молибденовой фазы. В зависимости от концентрации изменяется от 1-3 мкм до 5-8 мкм. Наличие в сплаве типа МД двух фаз, резко отличающихся по физическим и химическим свойствам, используется при подготовке поверхности деталей для элементов ЭВП.

Описанный в вышеуказанной статье способ очистки позволяет избирательным травлением придавать поверхности материала свойства меди или молибдена. При этом в зависимости от дисперсности зерен на поверхности материала возникает шероховатость различной глубины. Предложенный способ снижения КВЭЭ медно-молибденового сплава, содержащего медь и молибден в равных объемных долях, путем создания на его поверхности шероховатости глубиной 3.5 мкм осуществляли следующим образом.

Электрод коллектора обрабатывали в ванне с составом: 3 гр. натрия азотнокислого (NaNO₃), 1 л серной кислоты (H₂SO₄), при рабочей температуре 80-90^oC, а время обработки не более 3 минут. Таким образом, на всей поверхности электрода получена шероховатость (текстура), уменьшающая КВЭЭ.

Эта технологическая схема уменьшения КВЭЭ может быть применена и для других токовоспринимающих электродов ЭВП СВЧ, например ламелей, бугелей в приборах М-типа.

Результаты сравнительных исследований КВЭЭ поясняются графиком. На фиг. 1 зависимость КВЭЭ от ускоряющего напряжения:
(1) для сплава, содержащего медь и молибден в равных объемах, обработанного заявляемым способом;
(2) для углерода марки МПГ-6, текстурированного термомеханической обработкой;
(3) для стеклоуглерода;
(4) для меди.

Как видно, КВЭЭ сплава МД50 и анизотропно текстурированного углерода сравнимы и существенно ниже КВЭЭ меди, традиционно применяемой для изготовления коллектора.

Для подтверждения возможности осуществления заявленного изобретения авторами был выбран конкретный прибор со значительными тепловыми нагрузками (порядка 20 Вт/мм²) на рабочую поверхность коллектора. По этой причине для изготовления электрода коллектора был применен сплав МД50, обработанный указанным способом, в качестве изолятора использована втулка из окиси бериллия.

По сравнению с прибором с медными электродами при номинальных напряжениях на ступенях коллектора токовая, а значит и тепловая нагрузка на высоковольтную ступень уменьшилась на 14% При допускаемом по техническим условиям на прибор токооседании на высоковольтную ступень возможно уменьшение напряжения на низковольтной ступени на 14% В оптимальном режиме технический КПД прибора повысился на 5%

Использование: в лучевых СВЧ приборах при изготовлении многоступенчатых коллекторов с рекуперацией энергии. Сущность изобретения: для снижения коэффициента вторичной электронной эмиссии материал обрабатывают в реактиве, содержащем реагенты, избирательно растворяющие один из компонентов двухфазного сплава. В качестве материала используют медно-молибденовый сплав, а обработку ведут в ванне, содержащей 3 г азотнокислого натрия, 1 л серной кислоты при температуре 80 - 90^oC с течение не более 3 мин. 1 ил.

Способ снижения коэффициента вторичной электронной эмиссии, заключающийся в том, что двухфазный материал подвергают химической обработке для создания на поверхности материала шероховатости, отличающийся тем, что в качестве материала берут медно-молибденовый сплав, содержащий медь и молибден в равных по объему долях, а химическую обработку ведут в ванне состава: 3 г натрия азотнокислого, 1 л серной кислоты, при рабочей температуре 80 90^oС, а время обработки не более 3 мин.