МЕТАЛЛОПОРИСТЫЙ КАТОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01J9/04 

Изобретение относится к электронной технике, а именно к металлопористым катодам (МПК) электронных приборов СВЧ.

Известны различные конструкции металлопористых катодов [Кудинцева Г.А. и др. Термоэлектронные катоды. Энергия, 1966], состоящие из пористой вольфрамовой губки, пропитанной активным эмиссионным веществом.

Наиболее близким аналогом заявляемого металлопористого катода является катод [патент RU на изобретение №2172997], содержащий керн из тугоплавкого металла и матрицу, поры которой заполнены эмитирующим составом. Достоинством такой конструкции является то, что для изготовления МПК не требуется дорогостоящего оборудования. К недостаткам относится невысокая долговечность.

Известна конструкция и упрощенный процесс изготовления металлопористого катода [патент на изобретение RU 2333565], включающий запрессовку порошка тугоплавкого металла в стакан из молибдена и пропитку сформированной пористой губки активным веществом в виде порошка из алюмината или алюмосиликата бария-кальция при температуре 1700-1800°C в среде водорода, с последующим удалением активного вещества с поверхности стакана и губки многократным смыванием струей воды и формированием таким образом эмитирующей поверхности катода. Достоинством этой конструкции также является простота изготовления металлопористого катода. Однако такая технология не обеспечивает необходимой долговечности МПК, так как губка катода в силу недостаточной температуры спекания запрессованного в корпус катода порошка (1700-1800°C вместо 2000°C при обычной технологии изготовления) имеет повышенную пористость, что вызывает повышенное испарение бария во время работы катода и, соответственно, меньшую долговечность.

Известно получение различных форм углеродных наночастиц. К ним, в частности, относятся полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа [Патент RU 2196731], многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа тороидальной формы [Патент RU 2397950].

Известен также автоэмиссионный катод [Патент RU 2504858], при изготовлении которого применяются углеродные нанотрубки. Такой катод содержит частицы металла, окруженные наноструктурированным углеродным материалом. При этом металл обеспечивает низкое удельное сопротивление, высокую теплопроводность и механическую прочность, а наноуглеродный материал - высокие эмиссионные свойства катода. Достоинством такой конструкции является повышение эффективности автоэлектронной эмиссии. К недостаткам таких катодов можно отнести высокую скорость их деградации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение долговечности и плотности токоотбора.

Технический результат достигается тем, что в торцевую часть металлопористого катода, выполненного в виде корпуса из тугоплавкого металла, погружена пропитанная активным веществом состава - алюминат бария-кальция с соотношением СаО - 4,9%, ВаО - 76,6%, Al₂O₃ - 18,4-18,3% с добавлением водного раствора сульфоаддукта нанокластеров углерода (Углерона®) с концентрацией 6 г/л (в количестве от 0,1% до 0,2% масс) и покрытая снаружи слоем Os+Ir+Al вольфрамовая губка, которая состоит из отожженного вольфрамового порошка фракции Б (в количестве от 99,3% до 99,8% масс) и порошка полиэдральных наночастиц фуллероидного типа тороидальной формы (Астраленов®) в количестве 0,2% - 0,7% масс.

Кроме того, технический результат достигается тем, что при изготовлении металлопористого катода, включающем формирование корпуса из тугоплавкого металла и вольфрамовой губки, первоначально готовится смесь для приготовления тугоплавкой матрицы, которая имеет в своем составе отожженный вольфрамовый порошок фракции Б (в количестве 99,3% 99,8% масс.) с добавкой порошка полиэдральных наночастиц фуллероидного типа тороидальной формы в количестве 0,2%-0,7% масс. Полученная смесь, предварительно растертая пестиком, прессуется под давлением свыше Р=7,4 кг/см². Далее заготовки отжигаются (при температуре от 600°C до 1700°C в среде водорода в течение 8 часов), и после охлаждения для повышения механической прочности проводится дополнительный отжиг (при температуре от 1500°C до 1950°C в среде водорода в течение 9 мин), после чего диски должны получить металлический оттенок. Затем диски пропитываются активным веществом, состоящим из алюмината бария-кальция с соотношением СаО - 4,9%, ВаО - 76,6%, Al₂O₃ -18,4- 18,3% с добавкой водного раствора сульфоаддукта нанокластеров углерода с концентрацией 6 г/л (в количестве от 0,1% до 0,2% масс), после чего готовую губку закрепляют в корпус, проводят механическую обработку и подвергают поочередно процессу вакуумного отжига, глубокого ионного травления и наносят ионно-плазменное покрытие состава Os+Ir+Al.

При этом после механической доработки используется только процесс вакуумного отжига или процесс вакуумного отжига и глубокого ионного травления эмитирующей поверхности.

Варианты концентраций, полученные параметры катодов и их сравнение с аналогами приведены в таблице. Все значения таблицы представлены при токоотборе 2,2 А/см². Под характеристической температурой понимается температура катода, при которой режим работы катода меняется с режима ограничения пространственным зарядом на режим с температурным ограничением. Соответственно, для наиболее эмиссионно активных катодов изменение режима происходит при достаточно низких температурах. Исследование эмиссионной активности катодов проводилось в режиме импульсного токоотбора на анод при скваженности 1000.

Источники информации

1. Кудинцева Г.А. и др. Термоэлектронные катоды. Энергия, 1966.

2. Патент RU на изобретение №2172997.

3. Патент на изобретение RU 2333565.

4. Полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа. Патент RU 2196731.

5. Пономарев А.Н., Юдович М.Е. Многослойные углеродные наночастицы фуллероидного типа тороидальной формы. Патент RU 2397950, под. 23.04.2008, опубл. 27.08.2010.

6. Патент RU 2504858.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к металлопористым катодам (МПК) электронных приборов СВЧ. В торцевую часть металлопористого катода, выполненного в виде корпуса из тугоплавкого металла, погружена пропитанная активным веществом состава - алюминат бария-кальция с соотношением СаО - 4,9%, ВаО - 76,6%, Al₂O₃ - 18,4-18,3% с добавлением водного раствора сульфоаддукта нанокластеров углерода с концентрацией 6 г/л (в количестве от 0,1 до 0,2 мас.%) покрытая снаружи слоем Os+Ir+Al вольфрамовая губка, которая состоит из отожженного вольфрамового порошка фракции Б (в количестве от 99,3 до 99,8 мас.%) и порошка полиэдральных наночастиц фуллероидного типа тороидальной формы в количестве 0,2-0,7 мас.%. Изобретение позволяет повысить долговечность и плотность токоотбора. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Металлопористый катод, выполненный в виде корпуса из тугоплавкого металла, отличающийся тем, что включает в себя твердосплавную губку, пропитанную активным веществом состава - алюминат бария-кальция с соотношением СаО - 4,9%, ВаО - 76,6%, Al₂O₃ - 18,4-18,3% с добавлением водного раствора сульфоаддукта нанокластеров углерода с концентрацией 6 г/л (в количестве от 0,1 до 0,2 мас.%) с эмитирующим покрытием из сплава Os+Ir+Al, причем в состав твердосплавной губки входит отожженный вольфрамовый порошок фракции Б (в количестве от 99,3 до 99,8 мас.%) и порошок полиэдральных наночастиц фуллероидного типа тороидальной формы в количестве 0,2-0,7 мас.%.

2. Способ изготовления металлопористого катода, включающий формирование корпуса из тугоплавкого металла и вольфрамовой губки, отличающийся тем, что первоначально готовится смесь для приготовления тугоплавкой матрицы, которая имеет в своем составе отожженный вольфрамовый порошок фракции Б (в количестве 99,3-99,8 мас.%), в нее добавляют полиэдральные углеродные наночастицы фуллероидного типа тороидальной формы в количестве 0,2-0,7% мас.%, полученная смесь, предварительно растертая пестиком, прессуется под давлением свыше Р=7,4 кг/см², далее заготовки отжигаются (при температуре от 600 до 1700°C в среде водорода в течение 8 часов), после охлаждения для повышения механической прочности проводится дополнительный отжиг (при температуре от 1500 до 1950°C в среде водорода в течение 9 мин), после чего диски получают металлический оттенок; затем диски пропитываются активным веществом, состоящим из алюмината бария-кальция с соотношением СаО - 4,9%, ВаО - 76,6%, Al₂O₃ - 18,4-18,3% с добавкой водного раствора сульфоаддукта нанокластеров углерода с концентрацией 6 г/л (в количестве от 0,1 до 0,2 мас.%), после чего готовую губку закрепляют в корпус, проводят механическую обработку и подвергают поочередно процессу вакуумного отжига, глубокого ионного травления и наносят ионно-плазменное покрытие состава Os+Ir+Al.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что после механической доработки используется только процесс вакуумного отжига.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после механической доработки используется процесс вакуумного отжига и глубокого ионного травления эмитирующей поверхности.