Способ изготовления жидкостных катодов Советский патент 1979 года по МПК H01J9/02 

36 % йШё ttenkoAHC iefxJHbix порошкЬв металлов, HMdoiimx температуру плавления 8ОО-18ОО С и давление насШаЬййого пара IlO -l Ю торр при темпера туре обработки прибора, затем к упомяту тому исходному веществу добавляют JKWV кометаллйческий сплав на основе галлия с равновесной температурой плавления О,5-30°С, включающий компонеиты, име irtiiiEi ДбФление насьоценных паров 1О -1 -10 тйрр при температуре обработки прибора, после чего исходное вещество и жидкометаллический сплав, взятые в соотношении 3:1 - 9:1, пер&ме111ивакуг до образования гомогенной массы, затем полученным составом заполняют рабочую полость катода и произ водят отверждение в вакууме при давлении 1-1О - 1 торр. В качестве дисперсионно-твердекяцего материала используют следующую композваню, вес.%: Галлйй ЗО-5О Медь5О-70 Процесс изготовления жидкост.1ых kaтодов может быть проведен следующим образом. В сосуд иа фторопласта поме- ихйют навеску галлия и riofiraiika тугойяа&кбгб металла, например меда, в соотнгаиении, вес.%: Галлий34 Медь66 При температуре не ниже 30 С происходит йерёМёшиёаййе у1св еашых ййгре диейтов с целью создания гомогенной пасты. Для интенсификации процесса перемещивания используют энергшо ультра звуковых колебшшй, например, при пере- Метшйайии применяют магнитострикциовHbie наконечники ультразвуковых генераторов УЗГ-0.4. Затем к исходному диоперсйоано- вердегощему материалу (ДТМ в виде пластичной готогенной пасты добавл5хют жидkoмeтaлличвcкий сплав (ЖМС на основе геллия с температурой плавления не вьоие 30 С, вапример, слеяу« щего состава вес,%: , Галлий62 Индий25 Олово13 (температура плавления 1О,6 С) в следутюпхем соотношении, вес. ч.: ДТМ.8 ЖМС1 Послеэтого указанные кйМпоненты перемешивают до гомогенного состояния аапример, с помощью ультразвука. Полу денной смесью заполняют рабочую полос катода, изготовленную из керамики или кварца, прошедших стандартную технохимичёскую очистку, применяемую для деталей электровакуумных приборов. С целью формирования Жидкостных микроострий на открытой поверхности рабочей полоСти катоаа оболочку, заполненную рабочим телом, помещают в вакуумную камеру и откачивакуг до давления порядка 1-Ю -IlO торр и подвергают при (не выше 1О торр) данном давлении термообработке при 150-20О С в теч&ние 2-5 ч. В процессе термообработки в рабочем теле происходит гетерогенная реакция, обусловленная высокой поверхрностной активностью галлия и дисперсностью тугоплавкой фазы и проходящая по механизму твердофазной дифф1зви, осложненной спеканием в присутствии жидкой фазы. В результате образуются и№терметаллические соединения системы галлий - тугоплавкий металл, обладающие высокой температурой плавления (8ОО-1ООО с). Жидкометаллический I сплав заполняет получающиеся при кристаллизации микропоры. При этом образуется система рабочего тела катода, состоящего иа интерметаллического каркаса, заполненного жидкомётатшическим сплавом в соотношении: 3:1-9:1. При таком выборе указанных соотношений при затвердевании и увеличении объема каркаса происходит вьшотевание жид- комеТаллического сплава на поверхности рабочего тела катода в виде жидкометаллических микроострий с размерами 0,5-5 мкм и плотностью порядка 1О острий /мм . Могут быть применены материалы следующих марок: Галлий ГЛ-В2 РЭТУ 46-4-237-72 Индий 004-19-3 ТУ 48-6-41-74 Олово СЖЧ-ООО ГОСТ 5.1027-71 Серебро рсяпок ПС-2 ГОСТ 9724-61 Мед1 торощок ПМСФ ТУ 48-05-101-70 Кобальт-порошок ПК-1 ГОСТ 9721-71 Никепь, платина, палладий, золото - мелкодисперсный порошок с размером частиц 10-4О мкм. Приведенные режимы и соотношения используемых материалов выбраны из следующих соображений. Выбор температуры плавленая металлов твердой фазы выше определяется способностью данного вакуумного металла реагировать жидким галлием при температуре С и наличием в системе ий- металл тугоплавких кнтерметаллидов и областей с узкой концентрационно зоной существования структуры. Все венкуумные металлы , отвечающие указа1шы свойствам, имеют тe fflepaтypy плавлени более 8ОО С, например медь, серебро, палладий, Температура плавления жидкометалли ческого сплава не вьпие ЗО С выбрана потому, что дает возможность изготавли вать катодный узел при комнатной температуре и обеспечивать сохранение на нем жидких микроострий в процессе приготовления и во время работы, т. е. дает возможность использовать прибор при комнаткой температуре. В сочетании с требованиями относительно давления пара компонентов это ограничение приводит к использованию в жидких сплавах только галлия, индия, олова и серебра и исключению невакуумных материалов - цинка, таллия, кадмия и др. Процентное соотношение компонентов материал катода определяют исходя из следующих соображений. Жидкометаллический сплав является рабочей жидкостью для микроострий к&тода. При комнатной температуре, т не выше 30 С, существуют в жидком существуют виде, за исключением ртути и цезия, только сплавы на основе галлия - двойные, тройные и четверные эвтектики и жидкие композиции. Все ош отличаются склонностыо 1 переохлаждению и имеют температуру плавления в интервале 3- 25,4 С. Поскольку применение невакуум ных материалов невозможно, такие спла вы, помимо галлия, могут содержать только индий, олово и серебро, для которых известны двойные и тройные эвтектики с точками плавления от 7,9 до 25,. Для дисперсйойно-твердеющего мате риала соотношение определяется практическими результатами разработки диспер сионно- гвердеюших паст системы галлий металл и анализом соотвествуюших диаг рамм состояния. Днсперсионно-твердеющий материал должен обеспёчитЬ формирование интерметаллндного каркаса с заданной пористостью (количество откры тых пор на э /шттирующей поверхности порядка 10 см ), причем обеспечить., сохранение геометрии катода при прог реве 500 С. Скорость образования каркаса должна быть достаточно болыио чтобы при термообработке он сохранял свою конфигурацию. Исходя из этих требований и подбираются дисперсионно- . твердеющий материал. На примере сис темы галлий - медь показан выбор конкретной рецептуры. ТраниЦы выбраны следующим образом: при максимальном содержании галлия 50 вес.% образуются интерметаллиды с температурой плавления не менее 65О С, что обеспечивает достаточный темпфатурный запас йрочности каркаса. Прибольшем содержании галлия образуются более легкоплавкие инрерметаллиды. Кроме того, при прогреве избыток галлия входит в состав жидкометаллического сплава, вызывая отклонение эвтектического состава и повьпиение его текшературы кристаллизашш. При содержани меди более 7О вес.% материал получается неоднородным и охрулчивается. Приведенный пример не является единственнно возможным. В сачеотве порошка тугоплавкого металла могут быть испааьзованы элементы подгруппы 1 В, никель, кобальт, палладий, платина. Соотношения дисперсионно- ердеющего материала и жидкометаллического сплава взяты кэ, экспериментальных данных и являются одной из важнейших харшстеристик изобретения. Задачей, решаемой в данном случае, является создание катодного тела, которое представляет собой интерметаллядный каркас, заполненный жидкомегаллическим сплавом и имеющий на змйт тнруюшей поверхности микроострия заданной величины и в заданном колкчеове. Подъем сплава по капиллярам в объеме кагода происходит под дествием капиллярных сил. Такая система требует для своего образования четко определещсых соотношений компонентов и параметров процесса. Соотношение жидкометаллического сплава и дисперсионно- гвердеющего материала определяет параметры катода. Сначала образуется ин -ерметаллидный каркас, имеющий капилляры, оканчивающиеся открытыми порами на эмитти- рующей поверхности катода. Затем каркас пропитывается жидкометаллическим . При тер ообработке происходит раопределение сплаба внутри каркаса и выдавливание его через Перы с образованием микроострий. В случае недостаточного количества жндкометаллического сплава для заполне1ШЯ объема катодного тела в капиллярах появляются разрывы, а во многих порах OTCj-TCTByeT жидкометаллический сплав, т. е. не образуются мйкроострия. Экспериментально установлено, что при соотношении дисперсионио-твер