Углеродный автоэмиссионный катод и способ его изготовления Российский патент 2024 года по МПК H01J1/304 H01J9/02 

Изобретение относится к области электронных приборов, а более конкретно - к устройствам, использующим полевую эмиссию электронов.

Электронные устройства с автоэмиссионными катодами обладают рядом преимуществ по сравнению с устройствами, использующими традиционные термокатоды. Среди достоинств можно выделить высокое быстродействие, отсутствие накала, низкую потребляемую мощность, нечувствительность тока к внешней радиации. Углеродные автоэмиссионные катоды характеризуются химической стойкостью, термической стабильностью и хорошими механическими свойствами.

Известен углеродсодержащий наноматериал с низким порогом полевой эмиссии [Патент РФ № 2431900 кл.H01J1/304опубл.20.10.2011 бюл. № 29]. Материал представляет собой дисперсный порошок с размером части менее 50 мкм, состоящий из ядра из диэлектрического или полупроводникового материала и поверхностного слоя из графитоподобного углерода толщиной 0,5 - 50 нм. Графитоподобный углеродный слой получают термообработкой порошков в среде углеводородов, хлора или в вакууме. Спрессованные в металлической форме порошки обеспечивают ток эмиссии до 20 мкА/см².

Недостатком известного технического решения является дисперсность материала, что усложняет изготовление автоэмиссионных катодов, особенно сложных форм. Получаемые формованием порошков катоды непрочные и легко механически разрушаются и, кроме того, не обеспечивают получение больших эмиссионных токов.

Известен углеродный автоэмиссионный катод, выполненный из терморасширенного графита, описанный в статье О.Э. Макарова, Е.П. Шешин Лезвийные автокатоды из терморасширенного графита // Химия и химическая технология, 2015, том 58, вып. 7, с. 74 - 77. Это техническое решение авторы выбрали в качестве ближайшего аналога. Известный автокатод изготавливают из порошка терморасширенного графита прессованием и прокаткой. Описанный лезвийный автокатод толщиной 0,22 мм и длиной 1,6 мм обеспечивает ток эмиссии 400 мкА при напряженности электрического поля 5 кВ/мм.

Недостатком известного технического решения является недостаточно высокие эмиссионные токи, получаемые с катода, а также быстрая деградация эмиссионных свойств катода - существенное уменьшение тока эмиссии во времени.

Задачей изобретения является углеродный автоэмиссионный катод, обеспечивающий высокие эмиссионные токи и их повышенную стабильность во времени, а также способ изготовления такого углеродного автоэмиссионного катода.

Технический результат достигается тем, что углеродный автоэмиссионный катод на основе терморасширенного графита выполнен из материала состава: теморасширенный графит - 40 - 85 % масс., частицы алмаза размером 0,1 - 5 мкм, термообработанные в среде метана или природного газа при температуре 730 - 820°С в течение 1 - 5 часов, - 15 - 60 % масс. Изготовление углеродного автоэмиссионого катода достигается тем, что порошок терморасширенного графита смешивают со спиртовой суспензией, полученной ультразвуковым диспергированием алмазного порошка с размером частиц 0,1 - 5 мкм, предварительно термообработанного в среде метана или природного газа при температуре 730 - 820°С в течение 1 - 5 часов, затем осуществляют ультразвуковое диспергирование смеси, а после выпаривания спирта из полученной смеси осуществляют формование смеси при давлении 40 - 200 МПа.

При содержании в материале автоэмиссионного катода алмазных частиц менее 15 % масс. катод обладает недостаточно высокими эмиссионными свойствами, что не обеспечивает преимущества предлагаемого технического решения. Изготовление автоэмиссионного катода с содержанием алмазных частиц более 60 % масс. технически сложно реализуемо, т.к. в этом случае материал катода имеет низкую прочность и повышенную хрупкость. Алмазные порошки с размером частиц менее 0,1 мкм не доступны на рынке. Алмазные частицы размером более 5 мкм создают в материале катода грубую структуру, что приводит к неравномерности эмиссионных свойств поверхности катода. Проведение термообработки алмазного порошка при температуре ниже 730°С и при времени обработки менее 1 часа не обеспечивает существенного преобразования поверхности алмазных частиц и не обеспечивает преимущества предлагаемого технического решения. Как показали эксперименты, при проведении термообработки при температуре более 820°С и в течение времени более 5 часов получаемые алмазные частицы не обеспечивают высокие эмиссионные свойства изготавливаемым автоэмиссионным катодам. Формование смеси алмазных частиц и порошка терморасширенного графита при давлении менее 40 МПа приводит к недостаточной плотности материала катода и его невысоким механическим свойствам. Формование смеси при давлении более 200 МПа не изменяет свойств получаемых катодов, но приводит к усложнению реализации способа.

При реализации способа предпочтительно, если отношение массы спирта к сумме масс порошков терморасширенного графита и алмаза составляет 15 - 80. Такое соотношение обеспечивает равномерное смешение порошков терморасширенного графита и алмаза.

Предлагаемый углеродный автоэмиссионный катод может иметь различную форму в зависимости от конструкции устройства, в котором он применяется, а именно - он может быть острийным, лезвийным или плоским (планарным). Главным отличием предлагаемого катода является материал катода. В предлагаемом техническом решении катод выполнен из углеродного композиционного материала, в строении которого можно выделить армирующий наполнитель - частицы алмаза размером 0,1 - 5 мкм - и графитоподобную матрицу, сформированную за счет уплотнения порошка терморасширенного графита на этапе формования при изготовлении катода. Частицы алмаза, используемые в качестве армирующего наполнителя композиционного материала, предварительно обрабатывают в среде метана или природного газа при температуре 730 - 820°С в течение 1 - 5 часов. Содержание армирующего наполнителя (алмазных частиц) в композиционном материале, обеспечивающем хорошие эмиссионные свойства изготавливаемого катода, составляет 15 - 60 % масс., а содержание матрицы композиционного материала (терморасширенного графита), соответственно, 40 - 85 % масс.

Способ изготовления углеродного автоэмиссионного катода реализуется следующим образом. Порошок алмаза с размерами частиц от 0,1 до 5 мкм термообрабатывают в среде метана или природного газа, например, в трубчатом реакторе, при температуре 730 - 820°С в течение 1 - 5 часов. Для изготавливаемого катода по его размерам, форме и требуемому составу материала рассчитывают массы порошков терморасширенного графита и алмаза, необходимые для изготовления катода. Смешивают в емкости необходимую массу термообработанного порошка алмаза с этиловым спиртом. Предпочтительно, чтобы масса спирта составляла 15 - 80 от суммы масс порошков алмаза и терморасширенного графита. Затем осуществляют ультразвуковое диспергирование частиц алмаза в спирте до получения суспензии. В полученную суспензию добавляют порошок терморасширенного графита и полученную смесь подвергают ультразвуковому диспергированию, получая тем самым спиртовую суспензию смеси частиц терморасширенного графита и алмаза. Спирт удаляют из полученной суспензии выпариванием, например, при температуре 75 - 85°С. Полученную сухую смесь порошков терморасширенного графита и алмаза формуют, например, в металлических пресс-формах, обеспечивающих формование изделия по размеру и форме, соответствующим изготавливаемому углеродному автоэмиссионному катоду. Формование осуществляют при давлении 40 - 200 МПа.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.

Как было отмечено, углеродный автоэмиссионный катод по предлагаемому техническому решению изготовлен из углеродного композиционного материала, в котором частицы алмаза являются армирующим наполнителем, а уплотненный порошок терморасшитенного графита формирует графитоподобную матрицу. Изготовление катода формованием предварительно подготовленной порошкообразной смеси компонентов по предложенному способу обеспечивает изготовление катода требуемых размеров и формы, а получаемый материал катода обладает прочностью, достаточной для использования катода в электронном устройстве. Следует заметить, что каждый из компонентов углеродного композиционного материала, из которых изготавливается катод по предлагаемому техническому решению, обладает эмиссионной способностью. Однако при объединении их в единый материал эмиссионные свойства катода существенно улучшаются. Так, как будет показано в примерах, изготовленные катоды обеспечивают плотность тока 7,5 мА/мм², что существенно больше, чем описанные в аналогах. Причина такого явления может быть связана с тем, что основными эмиссионными центрами материала катода являются углеродные структуры, сформированные на границах раздела алмазная частица/терморасширенный графит. Предварительная активация поверхности частиц алмаза термообработкой в среде метана или природного газа приводит к формированию на поверхности алмазных частиц графитоподобных углеродных центров. На этапе формования смеси порошков алмаза и терморасширенного графита пластинчатые частицы терморасширенного графита ориентируются своими плоскостями вдоль поверхности алмазной частицы, вступая в механический и электронный контакт с модифицированной поверхностью алмазной частицы. За счет этого формируется поверхность раздела с особыми электрофизическими свойствами, обладающая высокой активностью к эмиссии электронов.

Следующие примеры поясняют предлагаемое техническое решение.

Пример 1. 16 мг порошка алмаза марки АСМ 1/0 с размером частиц 0,1 - 1 мкм в кварцевой лодочке помещают в трубчатый кварцевый реактор, в котором осуществляют термообработку порошка в среде природного газа при температуре 800°С в течение 2 часов. Полученный порошок помещают в стеклянный стакан емкостью 10 мл и добавляют в стакан 1,5 г этилового спирта. Полученную смесь подвергают ультразвуковому диспергированию на ультразвуковом диспергаторе (марки УЗДН-2) при частоте 22 кГц в течение 3 минут. Затем в полученную суспензию добавляют 21 мг порошка терморасширенного графита и смесь снова диспергируют в течение 3 мин. Полученную суспензию помещают в сушильный шкаф и высушивают при температуре 78°С до постоянного веса. Сухую смесь помещают в стальную двухпуансонную пресс-форму, матрица которой имеет полость для формования размером 44×4 мм. Смесь формуют односторонним прессованием с усилием прессования 1,8 тс, что соответствует давлению прессования 100 МПа. В результате формования получают полосу углеродного материала размером 44×4×0,12 мм. Полосу сгибают в кольцо диаметром 14 мм и высотой 4 мм. Тем самым получают лезвийный автоэмиссионный катод, который закрепляют в держателе автоэмиссионной установки таким образом, чтобы поверхность кольца толщиной 0,12 мм являлась рабочей поверхностью. Изготовленный автоэмиссионный катод содержит в своем составе теморасширенный графит - 57 % масс. и частицы алмаза размером 0,1 - 1 мкм, термообработанные в среде природного газа при температуре 800°С в течение 2 часов, - 43 % масс. Испытания автоэмиссионных свойств катода проводили по трехэлектродной схеме: катод - управляющий электрод (анод) - коллектор в форме цилиндра Фарадея. Управляющий электрод располагали на расстоянии 1,5 мм от катода. Измерения проводили в импульсном режиме (частота импульсов - 100 Гц, время импульса - 2 мкс). При напряженности электрического поля 5 кВ/мм катод обеспечивает ток эмиссии 40 мА. В течение 2 часов испытаний не наблюдали изменения величин тока в пределах ± 3 %. При испытаниях реализована плотность тока с рабочей поверхности катода 40 мА/5,3 мм² = 7,5 мА/мм², тогда как в ближайшем аналоге при той же напряженности электрического поля реализована плотность тока с рабочей поверхности катода 400 мкА/0,35 мм² = 1,1 мА/мм² при напряженности электрического поля 5 кВ/мм, что указывает на преимущество предлагаемого технического решения.

Пример 2. 5 мг порошка алмаза марки АСМ 3/2 с размером частиц 2 - 3 мкм в кварцевой лодочке помещают в трубчатый кварцевый реактор, в котором осуществляют термообработку порошка в среде метана при температуре 820°С в течение 4 часов. Полученный порошок помещают в стеклянный стакан емкостью 10 мл и добавляют в стакан 2 г этилового спирта. Полученную смесь подвергают ультразвуковому диспергированию на ультразвуковом диспергаторе (марки УЗДН-2) при частоте 22 кГц в течение 3 минут. Затем в полученную суспензию добавляют 21 мг порошка терморасширенного графита и смесь снова диспергируют в течение 3 мин. Полученную суспензию помещают в сушильный шкаф и высушивают при температуре 78°С до постоянного веса. Сухую смесь помещают в стальную двухпуансонную пресс-форму, матрица которой имеет полость для формования размером 44×4 мм. Смесь формуют односторонним прессованием с усилием прессования 3,5 тс, что соответствует давлению прессования 200 МПа. В результате формования получают полосу углеродного материала размером 44×4×0,10 мм. Полосу сгибают в кольцо диаметром 14 мм и высотой 4 мм. Тем самым получают лезвийный автоэмиссионный катод, который закрепляют в держателе автоэмиссионной установки таким образом, чтобы поверхность кольца толщиной 0,10 мм являлась рабочей поверхностью. Изготовленный автоэмиссионный катод содержит в своем составе теморасширенный графит - 81 % масс. и частицы алмаза - 19 % масс. Испытания автоэмиссионных свойств катода проводили аналогично примеру 1. При напряженности электрического поля 7 кВ/мм катод обеспечивает ток эмиссии 18 мА. В течение 2 часов испытаний не наблюдали изменения величин тока в пределах ± 3 %.

Таким образом, реализация предлагаемого технического решения позволяет создать автоэмиссионный катод, обеспечивающий высокие эмиссионные токи и их повышенную стабильность во времени.

Изобретение относится к области электронных приборов, а более конкретно - к устройствам, использующим полевую эмиссию электронов. Техническим результатом является обеспечивание высоких эмиссионных токов и их повышенной стабильности во времени. Технический результат достигается тем, что углеродный автоэмиссионный катод на основе терморасширенного графита выполнен из материала состава: теморасширенный графит - 40-85% масс., частицы алмаза размером 0,1-5 мкм, термообработанные в среде метана или природного газа при температуре 730-820°С в течение 1-5 часов, - 15-60% масс. Изготовление углеродного автоэмиссионого катода достигается тем, что порошок терморасширенного графита смешивают со спиртовой суспензией, полученной ультразвуковым диспергированием алмазного порошка с размером частиц 0,1-5 мкм, предварительно термообработанного в среде метана или природного газа при температуре 730-820°С в течение 1-5 часов, затем осуществляют ультразвуковое диспергирование смеси, а после выпаривания спирта из полученной смеси осуществляют формование смеси при давлении 40-200 МПа. 2 н.п. ф-лы, 2 пр.

1. Углеродный автоэмиссионный катод на основе терморасширенного графита, отличающийся тем, что материал катода имеет состав: теморасширенный графит – 40-85% масс., частицы алмаза размером 0,1-5 мкм, термообработанные в среде метана или природного газа при температуре 730-820°С в течение 1-5 часов, – 15-60% масс.

2. Способ изготовления углеродного автоэмиссионного катода по п. 1, включающий формование порошка терморасширенного графита, отличающийся тем, что порошок терморасширенного графита смешивают со спиртовой суспензией, полученной ультразвуковым диспергированием алмазного порошка с размером частиц 0,1-5 мкм, предварительно термообработанного в среде метана или природного газа при температуре 730-820°С в течение 1-5 часов, затем осуществляют ультразвуковое диспергирование смеси, а после выпаривания спирта из полученной смеси осуществляют формование смеси при давлении 40-200 МПа, при этом отношение массы спирта к сумме масс порошков терморасширенного графита и алмаза составляет 15-80.