Способ изготовления термоэлектронных эмиттеров Советский патент 1983 года по МПК H01J9/04 

ел

35

:л Изобретение относится к электровакуум ной технике, а конкретно к сильноточным термокатодам с низкой работой выхода, и может быть использовано при изготовле нии электровакуумных приборов и устройс с прямонакальным -катодом или катодом косвенного накала. . Известен способ получения термоэмиттеров, заключающийся во введении эмиссионно-активного вещества в дисперсной форме в .металлическую матрицу с последующим спеканием. Подучены таким споОобом кермет-катоды содержат в своем .составе окислы или бескислородные тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды, бориды) в сочетании с тугоплавким метал лом, совместимым с керамическим компонентом ( N , Mo, W , металлы платиновой .группы) i . Эти катоды термостабильны, однако позвопнют получить высокие плотности то ка Б длительном режиме работы лишь при высокой рабочей температуре (1800 К), обладают повышенной хрупкостью и малой конструкционной прочностью. Даже наиболее эмиссионно-активные катоды этого icnacca (гексабориды редкоземельных металлов) имеют рабочие температуры не ниже 16ОО К, при которых их химическая активность в контакте с конструкционными материалами катодного узла на кладывает существенные ограничения на ресурсы работы катода, Известен также способ снижения рабочих температур эмиттеров посредством их активирования путем ,облучения материала-основы ионами щёлочно-земельных атомов с высокими энергиями. Согласно этому способу в металлическое основание осуществляют внедрение ионов активного Вещества, например, ионов Ва, 5t и других металлов с, хорошей эмитирующе способностью с энергиями 1ОО-150 кэВ на глубину 1 мкм. Затем основание подвергают термической обработке при 1100 К, в процессе которой происходит диффузия ионов активного вещества .из внед-. ренного слоя в толщину основания. Для ускорения процесса диффузии основной ме талл покрывают слоем никеля толщиной примерно 1О мкм, и таким образом получают многослойную структуру. При 90О К обработанной таким образом основной материал представляет собой хороший эмиттер 2J . Однако такой эмиттер подобен обычкному пленочному эмиттеру, на поверхности которого получаются пленки атомов активного вещества за счет диффузии этих атомов из толщи эмиттера, а следовательно срок службы катода с таким эмитте-. ром ограничен запасом внедренного, активного вещества. Кроме того, испарение свободных атомов щелочно-земельных металлов и значительное загрязнение ими других электродов ламп (в частности, сеток) приводит к нестабильности термоэмиссии с поверхности этих электродов. Бомбардировка металлического основания ионами таких высоких энергий, как 100-150 кэВ, неизбежно должна приводить к его распылению. Целью изобретения является повыщение стабильности эмиссии и снижение работы выхода.. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу изготовления термоэлектронных эмиттеров, включающему обработку материала эмиттера ионами щелочных металлов и нагрев, в качестве материала термоэлектронного эмитТера используют нитриды переходных металлов 1УА группы стехиометрического состава, а облучение осуществляют ионами щелоч- , ных металлов с энергией 200-400 эВ с одновременным нагревом при 1400-1500 К в течение времени, достаточного для получения минимальной {заботы выхода.. На полученных эк спериментальных данных установлено, что после облучения .тугоплавких соединений нитридов переходных металлов четвертой группы (титана, циркония и гафния) ионами цезия или калия эти соединения снижают величину работы выхода на 1,5-1,8 эВ. Такое . снижение работы, выхода наблюдается у нитридов стёхиометричеокого состава. Для соединений вида М Мд снижение работы выхода составляет не 0,5 эВ (М - , металл: титан, циркорий или гафний). Длительное исследование эмиссионных свойств облученных ионами цезия или калия этих соединений стехиометрического состава показывают, что они могут быть использованы в качестве эффективных, термоэлектронных эмиттеров. Способ разработан на конкретном прим.ере изготовления термоэлектронного эмиттера и испытан в термокатодах в форме нитей, дисков и лент. . В качестве керна используют проволоку из мопибденорениевого сплава МР-47ВП диаметром 200 мкм. На поверхность керна наносят слой нитрида циркония состава Sh N(5 99толщиной мкм методом химического газофазного осаждения. Реакционная парогазовая смесь, использованная 310 для нанесения нитрида циркония, содержит 4-6 мол .% 2пСб4 по 47-48 мол.% азо та и водорода. В качестве разбавителя испопьэуют инертный газ ( АР или Не), Температура керна в процессе нанесения нитридного слоя составляет примерно 15ОО К, Дальнейшая обработка эмиттера в соответствии с предлагаемым способом производится в вакууме потоком ионов цезн с энергией не ниже 2ОО эВ, так как экспериментально установлено, что при более низких энергиях ионов эффект не наблюдается, и не выше 50О эВ из-за опасности распыления облучаемого слоя. Облучение проводится до тех пор, пока не устанавливается минимальное значение работы выхода. В данном случае это время составляет 3-5 ч в зависимости от плотности бомбардирующего ионного тока. В те чение всего времени облучения температура эмиттера поддерживается на уровне 140О-15ОО К. При более низких или высо ких температурах процесс снижения работ выхода замедляется. Свойства нового эмиттерного материала сохраняются после прекращения бомбар4дировки ионами щелочных металлов и длительного хранения материала в открытой атмосфере. После установки катода с предлагаемым материаломэмиттера в электровакуумный прибор он не требует специальной активировки и .дает указанные параметры термоэлектронной эмиссии после обычной процедуры прогрева и обезгаживания прибора. Испытанный срок службы катодов с эмиттерами, изготовленными согласно предлагаёмгм«1у способу, составляет более 50ОО ч. В связи с тем, что внедренные в приповерхностный слой ионы щелочного металла вступают в прочную химическую связь с облучаемым соединением, испарения активного вещества не наблюдается, поэтому не имеет места и загрязнение других электродов прибора, что сохраняет его параметры неизменными. Катоды, изготовленные предлагаемым способом, обладают высокой воспроизвс ДИМОС1ЫР параметров, а сам способ достаточной простотой для использования в промышленном крупносерийном производстве.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫХ ЭМИТТЕРОВ, включающий обработку материала эмиттера ионами щелочных металлов и нагрев, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности эмиссии и снижения работы выхода, в качестве материала термоэлектронного эмиттера используют нитриды переходных металлов IVA группы стехиометрического состава, а облучение осуществляют ионами щелочных металлов с энергией 2ОО-4ОО эВ с одно,временным нагревом при 14ОО-15ОО К в течение времени, достаточного для получения минимальной работы выхода.