МЕТАЛЛОПОРИСТЫЙ ПРОПИТАННЫЙ КАТОД ДЛЯ МАГНЕТРОНА Российский патент 2008 года по МПК H01J1/15 

Область техники:

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции металлопористых катодов для СВЧ-приборов М-типа (магнетронов).

Уровень техники:

Известны металлопористые катоды, например, (Кудинцева Л.А. и др. Термоэлектронные катоды, изд. «Энергия», М.П. 1966 г. стр.205. Тагути Тадакори и др. Патент Японии 52-185339, H01J 1/20, 29/04 от 30.01.84 г.), у которых вольфрамовая матрица пропитана смешанными алюминатами бария-кальция. Недостатками таких катодов является узкий диапазон рабочих температур 1000-1150°С. В случае использования катодов в магнетронах за счет обратной бомбардировки электронами температура катода может значительно повышаться, при этом происходит ускорение испарения эмиссионного вещества, падение электропрочности промежутка катод-анод и резкое сокращение срока службы катода и магнетрона.

Ближайшим прототипом является металлопористый пропитанный катод в виде цилиндрического керна из тугоплавкого материала, на поверхности которого сформирована пористая вольфрамовая матрица, пропитанная вольфраматами редкоземельных металлов (Белоконева Г.В. и др. Исследование влияния фазового состава активного материала на эмиссионные свойства пропитанного редкоземельного катода. Электронная техника, серия 14 материалы, 1970 г., выпуск 3, стр.85), например, состава 5La₂O₃·Y₂O₃·6WО₃. Такие катоды предназначены для работы при более высоких температурах, чем металлопористые катоды на основе алюминатов бария-кальция за счет низкой скорости испарения редкоземельных окислов. Однако при обработке катодов в водороде в процессе технологии для перевода малоэмиссионных вольфраматов в более эмиссионно-активные окислы образуется мелкодисперсная смесь вольфрама и окислов, которая при работе катодов в вакууме снова быстро превращается в эмиссионно-инертные вольфраматы. По этой причине срок службы этих катодов ограничен и обычно не превышает 100 часов, и они в настоящее время не используются в производстве.

Решаемая техническая задача направлена на расширение диапазона рабочих температур, увеличение электропрочности и срока службы катодов в условиях электронной бомбардировки. Сущность изобретения заключается в том, что на поверхности металлопористого катода в виде цилиндрического керна из тугоплавкого металла, например молибдена, сформирована пористая вольфрамовая матрица, пропитанная соединениями редкоземельных металлов, при этом в качестве материала пропитки использованы смешанные бинарные алюминаты иттрия, лантана и лютеция. Состав смешанных алюминатов должен удовлетворять двум требованиям: иметь возможно более низкую температуру плавления для пропитки вольфрамовой матрицы и обладать достаточными эмиссионными и вторично-эмиссионными свойствами.

По данным наших исследований таким требованиям удовлетворяют составы Y₂О₃:La₂O₃:Al₂O₃ - 20:25:55 вес.% с температурой плавления 1650°С±25°С, работой выхода 3,4-3,5 эВ и максимальным коэффициентом вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) 2,2-2,3; или La₂O₃:Lu₂O₇:Al₂О₃ - 25:35:40 вес.% с температурой плавления 1750°С±25°С, работой выхода 3,4-3,5 эВ и КВЭЭ 3,0-3,1. Отклонение от указанных составов нецелесообразно, так как приводит к резкому увеличению температуры плавления смешанных алюминатов и соответственно к увеличению температуры пропитки вольфрамовой матрицы. Следует также отметить, что использование смешанных алюминатов иттрия и лютеция не имеет смысла, так как их эмиссионные и вторично-эмиссионные свойства уступают приведенным выше составам.

Пористость вольфрамовой матрицы должна обеспечить запас эмиссионного вещества 4-8 вес.%. Большое содержание нежелательно из-за распыления эмиссионного вещества под действием электронной бомбардировки, что способствует ухудшению электропрочности прибора. Меньшее содержание сокращает срок службы катода.

Таким образом, учитывая состав смешанных алюминатов иттрия-лантана и весовые соотношения алюминатов и вольфрамовой губки, получим после пропитки катоды, у которых состав вольфрамовой матрицы будет в пределах:

Y₂O₃ - 0,8-1,6 вес.%

La₂O₃ - 1,0-2,0 вес.%

Al₂О₃ - 2,2-4,4 вес.%

W - остальное,

Аналогично при использовании смешанных алюминатов лантана-лютеция состав матрицы катодов будет в пределах:

La₂O₃ - 1,0-2,0 вес.%

Lu₂O₃ - 1,4-2,8 вес.%

Al₂O₃ - 1,6-3,2 вес.%

W - остальное.

Оптимальное содержание эмиссионного вещества в вольфрамовой губке 5-6 вес.%. Нами изготовлены катоды двух типоразмеров: диаметром 14 мм и длиной 210 мм с составом пористой вольфрамовой матрицы:

Y₂O₃ - 1,2 вес.%

La₂O₃ - 1,25 вес.%

Al₂О₃ - 2,75-3,3 вес.%

W - остальное,

а также диаметром 17 мм и длиной 60 мм с составом пористой вольфрамовой матрицы:

La₂O₃ - 1,25-1,5 вес.%

Lu₂О₃ - 1,75-2,1 вес.%

Al₂O₃ - 2,0-2,4 вес.%

W - остальное.

Температура пропитки эмиссионным веществом в водороде составляла 1850°С±25°С.

Катоды прошли успешные испытания в реальных приборах. Рабочая температура катодов изменялась в диапазоне 1200-1500°С, электропрочность промежутка катод-анод составляла 6-8·10³ В/см, срок службы катодов в процессе испытаний был более 750 часов, испытания продолжаются.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции металлопористых пропитанных катодов для СВЧ-приборов М-типа. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих температур, увеличение электропрочности и срока службы катодов в условиях электронной бомбардировки. В металлопористом пропитанном катоде для магнетрона в виде цилиндрического керна из тугоплавкого металла, например молибдена, на поверхности которого сформирована пористая вольфрамовая матрица, пропитанная соединениями редкоземельных металлов, в качестве материала пропитки использованы смешанные бинарные алюминаты иттрия, лантана и лютеция. 2 з.п. ф-лы.

1. Металлопористый пропитанный катод для магнетрона в виде цилиндрического керна из тугоплавкого металла, например молибдена, на поверхности которого сформирована пористая вольфрамовая матрица, пропитанная соединениями редкоземельных металлов, отличающийся тем, что в качестве материала пропитки использованы смешанные бинарные алюминаты иттрия, лантана и лютеция.2. Катод по п.1, отличающийся тем, что пропитанная вольфрамовая матрица имеет состав, вес.%:

Y₂O₃0,8-1,6La₂О₃1,0-2,0Al₂O₃2,2-4,4WОстальное

La₂О₃1,0-2,0Lu₂O₃1,4-2,8Al₂О₃1,6-3,2WОстальное