СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭМИТТЕРА ЭЛЕКТРОНОВ ВАКУУМНОГО ИЛИ ГАЗОНАПОЛНЕННОГО ДИОДА Российский патент 2014 года по МПК H01J1/14 H01J9/02 

Изобретение относится к технологии изготовления эмиттеров электронов с пониженной работой выхода, относящихся к устройствам высокотемпературной энергетики и предназначенных для термоэмиссионных элементов электровакуумных или газонаполненных приборов. Предлагаемый эмиттер электронов (катод) может использоваться в диоде для выпрямителей переменного тока в постоянный при высоких температурах окружающей среды, порядка 1000К, например, для питания электромагнитных насосов жидкометаллических контуров космических ядерных реакторов.

Известны работы:

Евстигнеев С.И., Ткаченко А.А.. Катоды и подогреватели электровакуумных приборов. - 2-е издание, переработанное и доп., - Москва. Высшая школа,. 1975. 196 с.

Ашкинази Л.А., Петров В С. Материалы электронных эмиттеров. Часть П.: Учебное пособие. Московского государственного института электроники и математики. М., 1997. 68 с.

Куницкий Ю.А. Электродные материалы для прямых преобразователей энергии. Киев, Вища школа. 1985. 187 с.

В этих работах описаны эмиттеры электронов диодов различных назначений и конструкций. Существующие эмиттеры (оксидные, импрегнированные, гексаборидные, нитрид-циркониевые, на основе окислов редкоземельных элементов и т.д.) обладают эмиссионной способностью 0,5-1,5 А/см² при температурах 1000-1400 К в стационарных условиях и до 10 А/см² в импульсном режиме с большой скважностью. Потребность в эмиттерах, обладающих эмиссионной способностью, на порядок большей в стационарных условиях, актуальна - это сильнотоковая электроника и системы прямого преобразования энергии.

Существуют эмиттеры на основе интеркалированного атомами Cs или Ва ориентированного пиролитического графита. Они предназначены для использования в приборах электронной техники и физических устройствах.

Макаров А.Н., Лям А.Л., Баранов Г.Д. Эмиттер на основе цезированного графита, Журн. техн. физики, 1977, Т.47, Вып.12, с.2522-2525.

Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп., М: Энергоатомиздат,. 1993 г.- с.230.

А.Г. Каландаришвили. Патент на полезную модель «Плазменный диод» №107398 от 19 мая 2011 г.

В вышеприведенных работах дается описание диодов с электродами из цезированного и барированного пирографита, помещенные в вакуумный объем и имеющие источники паров Cs или Ва. В работе Макарова А.Н. и др. дается описание эмиттера, изготовленного в виде шайбы из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита. Графит интеркалирован атомами цезия. Коллектор выполнен из металла. Резервуар с источником пара цезия в виде жидкого конденсата цезия соединен с межэлектродным зазором. Поверхность эмиттера из ориентированного пиролитического графита, интеркалированная цезием до соединений от C₃₆Cs до C₈Cs, обладает высокой эмиссионной способностью при температуре 900-1100 К, когда на электроды диода приложено напряжение до 10 вольт.

Наиболее близким прототипом является патент на полезную модель №107398 "Плазменный диод" от 19 мая 2011 г. А.Г. Каландаришвили. Диод выполнен в виде расположенного в вакуумированном корпусе коллектора из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям и интеркалирована атомами цезия до соединения C₈Cs, эмиттера в виде шайбы из тугоплавкого материала - ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита и интеркалирована атомами бария до соединения С₆Ва, резервуара с источником пара цезия соединенного с межэлектродным зазором.

Недостатком прототипа является сложность проведения процесса интеркалирования графита барием. При высоких плотностях снимаемого тока с эмиттера происходит его разогрев вследствие имеющейся в таком эмиттере эмиссии автоэлектронного типа. Это может привести к неконтролируемому разрушению эмитирующей поверхности во времени. Также недостатком является наличие резервуаров с металлическим барием и жидким конденсатом цезия, требующих нагрева их за счет внешних источников тепла.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является существенное упрощение изготовления эмиттера термоэмиссионного типа с сохранением основных выходных параметров устройства - больших плотностей электронного тока.

Для достижения указанного результата предложен способ изготовления эмиттера электронов из тугоплавкого материала с добавками цезия или бария, при этом в качестве материала эмиттера используют монокристаллические W или Мо или Nb или Та, а барий или цезий имплантируют в материал эмиттера путем бомбардировки пучком ионов, ускоренных до энергии 30-60 кэВ до достижения доз имплантации 10¹⁶ ион/см².

При этом осуществляют сканирование ионного пучка по поверхности эмиттера в горизонтальном и вертикальном направлениях.

На чертеже даны температурные зависимости вакуумной работы выхода эмиттера Мо(110)+Cs⁺-1 и Мо(110)+Ва⁺ - 2, 3 при разных дозах имплантации, ион/см², 2 - 10¹³; 3 - 10¹⁶.

Предложен способ изготовления эмиттера электронов из тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден, ниобий, тантал с легирующими добавками, заключающийся в том, что рабочая эмиссионная поверхность эмиттера имплантируется ионами бария или цезия. Легирование проводится в ионных ускорителях типа "ИЛУ", "Везувий", позволяющих проводить большедозовую имплантацию. Имплантация поверхности эмиттера ионами щелочных и щелочноземельных металлов позволяет получать при температурах нагрева эмиттера 1400-1500 К плотности тока эмиссии 3-10 А/см². Высокотемпературные материалы эмиттера обладает высокой электропроводностью, стабильной работой выхода электрона и высокой теплопроводностью.

Приведем описание последовательности изготовления эмиттера на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Та), обладающих большими вакуумными работами выхода для плотноупакованной кристаллографической грани (110). Вольфрам - 5,25 эВ; молибден - 4,95 эВ; тантал - 4,85 эВ; ниобий - 4,66 эВ.

Для примера возьмем Мо(110). Методом электроэрозионной резки из прутка монокристаллического молибдена изготовляется эмиттер толщиной 1,5 - 2 мм с выходом на рабочую поверхность грани (110). Выбор монокристаллического материала обусловлен его исходной чистотой по примесям по сравнению с поликристаллическими металлами.

Для подготовки рабочей поверхности проводится электротравление с последующей электрополировкой. На установке ионного легирования поверхность образца вначале подвергается очистке ионами аргона Ar⁺ в течение 5-10 минут при энергии пучка 20 кэВ и током 10 мкА/см².

Далее проводится имплантация в рабочую поверхность ионов бария. Вакуум в процессе имплантации в районе мишени 2·10^-3 Па. Имплантация ионов Ва, ускоренных до энергии 30-60-кэВ, осуществляется при комнатной температуре до достижения доз имплантации 10¹⁴-10¹⁶ ион/см². С целью равномерного облучения осуществляется сканирование ионного пучка по поверхности мишени в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Аналогично проводится имплантация ионами цезия, также интенсивно снижающими работу выхода поверхности эмиттера.

Результат процесса имплантации контролируется на Оже - анализаторе путем снятия профилей распределения концентрации бария в приповерхностном слое эмиттера.

Выбор энергии ионов и доз облучения обусловлен следующим. Увеличение дозы более 10¹⁶ ион/см² не вызывает дальнейшего значительного наращивания количества внедренных ионов вследствие установления равновесия между количеством внедренных атомов и распыленных. Уменьшение дозы менее 10¹⁴ ион/см² не позволяет достигнуть максимально возможное снижение работы выхода. Снижение энергии ионов менее 30 кэВ не позволяло получать стабильные эмиссионные свойства коллектора из-за малой глубины внедренных ионов.

После имплантации Мо(110) с начальной величиной работы выхода еφ=4,95 эВ ионами бария при указанных выше энергиях и дозах, минимальное значение работы выхода снижается до величины работы выхода, равной 2,2 эВ. При имплантации цезия минимальное значение работы выхода еφ=3,0 эВ.

В таблице показано влияние дозы имплантации бария на минимальное значение работы выхода Мо(110).

Доза имплантации Ва, ион/см² 10¹³ 10¹⁶ Работа выхода, еφ_мин, эВ 2,6 2,2

Далее легированный эмиттер и коллектор из того же тугоплавкого металла с токовыводами помещаются в вакуумированый корпус. Межэлектродное расстояние вакуумного диода 0,5-1 мм. Нагрев эмиттера до 1400-1500 К осуществляется или внешним источником тепла, например с помощью тепловой трубы или прямым пропусканием постоянного тока через эмиттер. При приложенном напряжении 5-10 В в прямом направлении диод пропускает ток до 10 А/см². При обратном напряжении плотность тока на много порядков меньше.

Изобретение относится к технологии изготовления эмиттеров электронов с пониженной работой выхода, может использоваться в диоде для выпрямителей переменного тока в постоянный при высоких температурах окружающей среды. Технический результат - упрощение изготовления эмиттера с сохранением основных выходных параметров устройства больших плотностей электронного тока. Способ предусматривает изготовление эмиттера электронов из тугоплавкого материала с добавками цезия или бария, в качестве материала эмиттера используют монокристаллические W или Мо или Nb или Та, а барий или цезий имплантируют в материал эмиттера путем бомбардировки пучком ионов, ускоренных до энергии 30-60 кэВ до достижения доз имплантации 10¹⁶ ион/см². Дополнительно осуществляют сканирование ионного пучка по поверхности эмиттера в горизонтальном и вертикальном направлениях. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ изготовления эмиттера электронов из тугоплавкого материала с добавками цезия или бария, отличающийся тем, что в качестве материала эмиттера используют монокристаллические W или Мо или Nb или Та, а барий или цезий имплантируют в материал эмиттера путем бомбардировки пучком ионов, ускоренных до энергии 30-60 кэВ до достижения доз имплантации 10¹⁶ ион/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют сканирование ионного пучка по поверхности эмиттера в горизонтальном и вертикальном направлениях.