Эмиссионный материал на основе алюминатов иттрия и лантана для металлопористых катодов мощных вакуумных электронных приборов Российский патент 2021 года по МПК H01J1/144 

Описание патента на изобретение RU2759154C1

Изобретение относится к материалам электронной техники, в частности к эмиссионным материалам металлопористых пропитанных катодов мощных вакуумных электронных приборов.

В качестве эмиссионного материала для пропитки вольфрамовой матрицы металлопористого катода используется тройная эвтектика на основе алюминатов иттрия и лантана, предварительно синтезированная из смеси оксидов алюминия, иттрия и лантана определенного состава. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих температур катода, возможность снижения температуры пропитки и обеспечение однородности химического фазового состава эмиссионного вещества по всей глубине пропитки.

Изобретение относится к материалам электронной техники, в частности к эмиссионным материалам металлопористых пропитанных катодов мощных вакуумных электронных приборов СВЧ-диапазона.

Известны металлопористые катоды (например, /1, 2/), у которых вольфрамовая матрица пропитана смешанными алюминатами бария-кальция. Состав этих алюминатов разнообразен, но наиболее широко используются эвтектические смеси алюминатов, получаемых в результате твердофазного синтеза или плавления смесей оксидов бария, кальция и алюминия, химического состава (в мольном соотношении) 3ВаО⋅0,5СаО⋅Al2O3 и 5ВаО⋅3СаО⋅2Al2O3. Пропитка вольфрамовой матрицы этими алюминатами осуществляют при температурах (1750-1800°С). Конгруэнтное плавление эвтектической смеси алюминатов обеспечивает однородность химического и фазового состава эмиссионного вещества на всю глубину пропитки. 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.

Для устранения этих недостатков в мощных ЭВП для пропитки металлопористых катодов вместо алюминатов щелочноземельных металлов используют соединения редкоземельных металлов, например, смешанных алюминатов иттрия, лантана, лютеция и др. /3/. 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.

Целью изобретения является получение эмиссионного материала эвтектического состава на основе алюминатов иттрия и лантана с наиболее низкой температурой плавления для пропитки металлопористых катодов мощных вакуумных электронных приборов.

Сущность изобретения заключается в получении эмиссионного материала эвтектического состава на основе алюминатов иттрия и лантана из смеси оксидов алюминия, иттрия и лантана определенного состава методами твердофазного синтеза или плавления, при этом используемая в качестве материала для его синтеза смесь оксидов имеет состав, вес. %:

Y2O3 - 33;

La2O3 -16;

Al2O3 - остальное.

Использование этого материала для пропитки металлопористых катодов мощных вакуумных электронных приборов позволит снизить температуру пропитки, обеспечить однородность химического и фазового состава эмиссионно-активного вещества на всю глубины пропитки катода, а, следовательно, и стабильность эмиссионных характеристик.

Диаграмма состояния тройной системы Y2O3-Al2O3-La2O3 полностью не построена. Из справочных данных /4/ известно, что в бинарных системах, образующих тройную систему Y2O3-Al2O3-La2O3, имеет место образование алюминатов иттрия (Y3Al5O12) и лантана (AlLaO3) и двойных эвтектик Е1 (1780°С) и Е2 (1760°С) (рис. 1). На основе анализа имеющихся данных о фазовых соотношениях в исследуемой тройной системе можно предположить наличие области тройной эвтектики с более низкой температурой плавления.

По данным авторов /3/ более низкой температурой плавления (1650°С ± 25°С) обладает материал, содержащий смешанные бинарные алюминаты иттрия и лантана, состава (в пересчете на оксиды) Y2O3:La2O3:Al2O3 - 20:25:55 вес. %. Отклонение от указанных составов, по мнению авторов, нецелесообразно, так как приводит к резкому увеличению температуры плавления смешанных алюминатов и соответственно к увеличению температуры пропитки вольфрамовой матрицы. Эмиссионные характеристики материала: работа выхода - 3,4÷3,5 эВ, максимальный коэффициент вторичной электронной эмиссии - 2,2÷2,3.

Этот эмиссионный материал, наиболее близкий по химическому составу и назначению к заявляемому изобретению, был выбран нами в качестве прототипа и исходного образца для проведения физико-химических исследований (состава, структуры, свойств) для уточнения состава и температуры тройной эвтектики.

Результаты исследований.

Эмиссионный материал для пропитки пористой вольфрамовой матрицы и экспериментального подтверждения заявляемого технического результата был синтезирован из смеси порошков оксидов исходного состава (точка Р на рис. 1) с использованием различных технологий (твердофазного синтеза и плавления). Для проведения комплекса физико-химических исследований материала (состава, структуры, свойств) на различных этапах был изготовлен ряд образцов в виде порошков и спрессованных таблеток (табл. 1).

Контроль химического и фазового состава синтезированных образцов осуществляли методами растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и рентгенофазового анализа (РФА). Измерение интервала температур плавления образцов (температур солидус и ликвидус) проводили методом дифференциального термического анализа (ДТА).

Анализ результатов исследования образцов прототипа показал:

- при плавлении и твердофазном синтезе химический состав образцов не изменяется: усредненный химический состав (в пересчете на оксиды) соответствует исходному;

- плавление смеси оксидов алюминия, иттрия, лантана исходного состава приводит к изменению фазового состава - образованию тройных алюминатов; при твердофазном синтезе также наблюдается изменение фазового состава, однако, система не находится в равновесном состоянии (присутствуют непрореагировавшие исходные оксиды);

- синтезированные образцы плавятся при более низких (по сравнению с температурами плавления двойных эвтектик E1 и Е2) температурах; их плавление по данным ДТА происходит в интервале температур солидус - ликвидус (~ 1550÷1650°С (± 50°С)). Это свидетельствует о том, что синтезированный материал не является строго эвтектическим и изменение химического состава расплава в процессе пропитки пористой вольфрамовой матрицы катода может приводить к изменению химического состава эмиссионного вещества катода по глубине.

Этот факт был подтвержден при исследовании образцов группы D.

Пропитка вольфрамовой матрицы активным веществом проводилась по стандартной технологии изготовления металлопористых катодов. Вольфрамовая матрица (полученная прессованием и высокотемпературным спеканием вольфрамового порошка) пористостью ~20% в виде таблетки диаметром 10 мм, высотой 6 мм и с насыпанным на верхнюю поверхность порошком измельченного образца группы С нагревалась в водородной печи до 1800°С с 5-минутной выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением до комнатной температуры. Анализ однородности пропитки матрицы выполняли на поперечном шлифе методами РЭМ и РСМА.

Локальный анализ химического состава эмиссионного вещества в порах вольфрамовой матрицы показал его изменение по глубине катода (область составов Р1 на рис. 1). Полученные результаты позволили предположить, что эмиссионное вещество состава Е, заполнившее наиболее удаленные от поверхности поры, является эвтектическим и обладает наименьшей температурой плавления.

Для проверки этого предположения были изготовлены группы образцов Е, F, G с использованием смеси оксидов алюминия, иттрия, лантана состава Е (Y2O3:La2O3:Al2O3 - 33:16:51 вес. %). Проведенные исследования образцов подтвердили, что синтезированное из этой смеси оксидов вещество является тройной эвтектикой с температурой плавления 1530°С (± 15°С), и его использование позволяет снизить температуру пропитки катода до 1700°С и обеспечивает однородность химического и фазового состава эмиссионного вещества на всю глубины пропитки металлопористого катода.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки.

1. Кудинцева Л.А. и др. Термоэлектронные катоды, изд. «Энергия», М.П. 1966 г. стр. 205.,

2. Тагути Тадакори и др. Патент Японии 52-185339, H01J 1/20, 29/04 от 30.01.84 г.),

3. Смирнов В.А. и др., Патент RU 2342732 С1 от Металлопористый пропитанный катод для магнетрона

4. Торопов Н.А. и др. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. - М.: Наука, 1965.

Похожие патенты RU2759154C1

название год авторы номер документа
МЕТАЛЛОПОРИСТЫЙ ПРОПИТАННЫЙ КАТОД ДЛЯ МАГНЕТРОНА 2007
  • Смирнов Вячеслав Александрович
  • Синицына Елена Николаевна
  • Куликова Людмила Ивановна
  • Гусева Тамара Федоровна
RU2342732C1
МЕТАЛЛОПОРИСТЫЙ КАТОД 1993
  • Смирнов В.А.
  • Красницкая И.Е.
RU2066892C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОКАТОДА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА И СОСТАВ ПРИПОЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОКАТОДА 1994
  • Мельникова И.П.
  • Козлов В.И.
  • Усанов Д.А.
RU2079922C1
ОГНЕУПОРНАЯ ШИХТА И МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ХРОМИТА ЛАНТАНА, ПОЛУЧЕННЫЙ ИЗ НЕЕ 2009
  • Суворов Станислав Алексеевич
  • Зуев Андрей Викторович
RU2389709C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОПОРИСТОГО КАТОДА 1991
  • Смирнов В.А.
  • Чернецов Н.А.
  • Судаков Ю.С.
  • Потапов Ю.А.
  • Корнеев В.П.
RU2012944C1
КЕРАМИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ 2014
  • Бургер Вольфганг
  • Кифер Гундула
RU2681020C1
ШИХТА НА ОСНОВЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОЧНОЙ КЕРАМИКИ 2013
  • Чаплина Екатерина Владимировна
  • Непочатов Юрий Кондратьевич
  • Богаев Александр Андреевич
  • Медведко Олег Викторович
RU2534864C2
МЕТАЛЛОПОРИСТЫЙ КАТОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2017
  • Крачковская Татьяна Михайловна
  • Сахаджи Георгий Владиславович
  • Сторублев Антон Вячеславович
  • Пономарев Андрей Николаевич
RU2658646C1
БЕСПОРИСТЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИТ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ЦИРКОНИЯ 2023
  • Бугаева Анна Юлиановна
  • Назарова Людмила Юрьевна
  • Рябков Юрий Иванович
  • Шушков Дмитрий Александрович
  • Тропников Евгений Михайлович
RU2816157C1
ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКЛОКЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2018
  • Челноков Евгений Иванович
RU2722012C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 759 154 C1

Реферат патента 2021 года Эмиссионный материал на основе алюминатов иттрия и лантана для металлопористых катодов мощных вакуумных электронных приборов

Изобретение относится к электронной технике, в частности к производству мощных вакуумных электронных приборов СВЧ-диапазона. Согласно изобретению, эмиссионный материал представляет собой эвтектический сплав, полученный методом твердофазного синтеза или плавления смеси оксидов алюминия, иттрия и лантана в определенном соотношении по весу. Техническим результатом является снижение температуры пропитки, однородность химического и фазового состава на всю глубину пропитки катода, а следовательно, и стабильность эмиссионных характеристик. 1 табл., 1 ил.

Формула изобретения RU 2 759 154 C1

Эмиссионный материал на основе алюминатов иттрия и лантана для металлопористых пропитанных катодов мощных вакуумных электронных приборов, получаемый методом твердофазного синтеза или плавления из смеси оксидов алюминия, иттрия и лантана, отличающийся тем, что используемая в качестве материала для его синтеза смесь оксидов имеет состав, вес.%:

Y2O3 3 La2O3 16 Al2O3 остальное

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2021 года RU2759154C1

МЕТАЛЛОПОРИСТЫЙ ПРОПИТАННЫЙ КАТОД ДЛЯ МАГНЕТРОНА 2007
  • Смирнов Вячеслав Александрович
  • Синицына Елена Николаевна
  • Куликова Людмила Ивановна
  • Гусева Тамара Федоровна
RU2342732C1
Материал для вторичноэлектронных катодов 1980
  • Марин Владимир Петрович
  • Левицкий Владимир Анатольевич
  • Клименко Александр Николаевич
  • Меньшенин Юрий Викторович
  • Круковский Владимир Александрович
SU868881A1
CN108878234 A, 23.11.2018
CN101625950 A, 13.01.2010.

RU 2 759 154 C1

Авторы

Томилин Николай Алексеевич

Серегин Вячеслав Сергеевич

Даты

2021-11-09Публикация

2021-01-11Подача