КАТОД

Полезная модель относится к электронной технике, в частности к конструкции катода для электровакуумных и газоразрядных приборов.
2
3
Известны металлооксидные катоды с регулярно чередующейся структурой слоев металл и окислов. В работе [1] предложен вариант слоистосто-монолитного катода, в котором эмиссионно-активным веществом является алюминат 3BaCaOAlO, а металлом - сплав W-Re. Для другого решения в качестве слоев применен никель, а эмиссионно-активным веществом являлись окислы барии, стронция, кальция. Эти решения реализованы с использованием пленочной технологии. Пленки металла никеля и окислов щелочноземельных металлов (ЩЖМ) (Ва, Sr, Са) О наносились на плоскую поверхность, затем многослойную структур разрезали на ленты толщиной до 50 мкм и устанавливались нормально (перпендикулярно) к бывшей поверхности напыления. В дальнейшем конструкция использовалась, как прямонакальный катод [2]. Недостатком такого решения является ограничение в получены больших размеров, а также сложность вакуумного напыления заданной стехиометрии окислов щелочноземельных металлов для оптимальных эмиссионных свойств.
Ближайшим прототипом предлагаемой полезной модели является катод с чередующимися слоями фольги толщиной 3-10 мкм и эмиссионно-активного вещества в виде окислов ЩЗМ толщиной 10-12 мкм.
2
2
Окислы ЩЗМ наносились плазменным напылением на никелевую фольгу. Фольга с покрытием собиралась в пакет с последующем нагревом в пресс-форме до 700-1000°C в атмосфере вакуума, водорода, инертного газа и последующим горячим прессованием с давлением 100-1000 кГс/см. Пакет разрезали лазерным лучом в режиме возгонки на полосы разной длины. Полоса с торца имела чередующуюся структуру из никеля и окислов ЩЗМ. Из полос образовывали необходимую конфигурацию, например, в форме круга, закрепленного в обойме. Обойма закреплялась на подложке в катодном узле косвенного накала. Конструкция позволяет повысить токоотбор непрерывном режиме до 5 А/см [2]. Однако изготовление такого катода, требует многооперационной технологии и значительной трудоемкости.
2
При увеличении размеров площади эмитирующей поверхности до нескольких десятков см возникает неустойчивость по плоскости в термоциклическом режиме, кроме того 30-35% поверхности катода занимает никель, что приводит к высокой эмиссионной неоднородности.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью заключается в снижении трудоемкости и повышении эмиссионной однородности с сохранением высокой тепло и электропроводности структуры катода.
Указанный технический эффект достигается благодаря тому, что структура матрицы катода выполнена в виде чередующихся островков металла и эмиссионно-активного вещества, центры которых образуют гексагональную плотноупакованную решетку и имеют контакты между собой и металлической подложкой, при этом центры гексагональной плотноупакованной решетки заполнены островками металла (М) и эмиссионно-активного вещества (О) в послойном соединении из возможных тройных сочетаний М и О: О-М-О; М-О-М; М-М-О; О-М-М; М-О-О, О-О-М, так что образованные цепочки по М и О не прерываются на всем протяжении от подложки до эмиссионной поверхности.
Возможно также, что эмиссионная поверхность плотноупакованной островковой структуры матрицы выполнена из сплошного пористого металла толщиной 10-100 мкм или эмиссионного вещества толщиной 10-40 мкм. Кроме того, контакты островков эмиссионно-активного вещества и металла смещены относительно друг друга вдоль эмиссионной поверхности.
На фиг. 1 (а, б) приведена схема фрагмента структуры катода с островками металла и эмиссионно-активного вещества, расположенными послойно вдоль осей в условно обозначенных трех типах центров А-В-С гексагональной плотноупакованной решетки соединенными между собой и подложкой. На виде сверху фиг. 1а представлены три слоя островков 1, 2, 3 в центрах А-В-С позиция 12 гексагональной плотноупакованной решетки соединенные с подложкой 11. При этом верхние три слоя (вид сверху) повторяют первые три слоя контактирующие с подложкой. На схеме фиг. 1а видно, что при послойном соединении островков в центрах гексагональной плотноупакованной решетки образуется открытые поверхности, через которые следующий островковый слой имеют контакт с предыдущим слоем, а значит с подложкой и частично с ближайшими соседними островками.
На фиг. 1б представлена схема сечения многослойной островковой структуры с последовательностью островков металла (М) и эмиссионно-активного вещества (О) в совокупности из тройных сочетаний О-М-O и М-О-М вдоль поверхности подложки в центрах гексагональной плотноупакованной решетки А-В-С. Центры С заполняют слои островков О позиция 5 и островков М позиция 7. Центры В заполняют слои островков М позиция 6 и островков О позиция 8. Центры А заполняют слои островков О
позиция 9 и островков М позиция 10. В приведенных сочетаниях на фиг. 1б контакты островков вдоль вертикали показаны стрелками вверх и вниз. Так островок О в центре В по направлению указанному стрелками имеет контакты с островком М в центре А, с островком О в центре А, с островком М в центре С, с островком о в центре С и островками М в центре В. На схеме видно, что в сечении структуры вдоль диагонали пересекающей центры А-В-С образованы непрерывные цепочки из металла (М) и эмиссионно-активного вещества (О), обозначенные штрих пунктиром.
На фиг. 2 представлен вариант схемы фрагмента сечения многослойной островковой структуры, где заполнение центров А-В-С выполнено из тройных сочетаний О-М-О, М-О-М в следующих рядах: 1-3 слои О-М-О; 4-6 слои М-О-М; 7-9 слои М-О-М; 10-12 слои О-М-О; 13-15 слои М-О-М; 16-18 слои О-М-О. Из схемы видно, что в сечении вдоль диагонали образованы непрерывные цепочки по (М) и по (О) от подложки 12 к эмиссионной поверхности 4, обозначенные штрих пунктиром позиции 13 и 14.
На фиг. 3 представлена зависимость плотности тока для катодов от температуры, предлагаемые модели - катод G в сравнении с губчатым оксидными катодом - вариант D.
1
2
2
Катод G (кривые G и G) имеет структуру из островков окислов ЩЗМ (BaO, SrO, СаО) и никеля, образующих гексагональную плотноупакованную решетку, с соотношением 60% окислов ЩЗМ и 40% никеля по массе. Эмиссионный слой катода выполнен из окислов ЩЗМ толщиной 10 мкм. Вся структура катода опрессована при давлении 1,5 т/см.
2
Катод G после откачки и тренировки обеспечивает при температуре 780±20°C плотность тока 0,5 А/см.
1
2
2
Отклонение тока от установленного номинала (±10%) составляют +2% и -8% (кривая G). Этот же катод после срока службы 3000 и при температуре 780±20°C обеспечивает плотность тока 0,5 А/см с отклонением от номинала +0% -2% (кривая G).
1
2
2
Катод D (кривые D и D) с губчатой структурой из никеля заполненной окислами ЩЗМ с соотношением 60% окислов ЩЗМ м 40% никеля по массе. Эмиссионный слой также выполнен из окислов ЩЗМ толщиной 10 мкм. Вся структура катода опресована при давлении 1,5 т/см.
2
2
3
Катод D после откачки и тренировки обеспечивает плотность тока 0,5 А/см с отклонением от номинала +2% и -4% только при температуре 840±20)°C (кривая D). После срока службы 2500 часов при температуре 840±20°C с токоотбором 0,5 А/см отклонение от номинала составило +6% и -23%.
Из сравнительного анализа нелокальных характеристик следует, что катоды со структурой гексагональной плотноупакованной решетки обладает более высокой однородностью в заданном диапазоне рабочих температур.
Поверхность катода G выполнена из эмиссионно-активного вещества, окислов ЩЖМ (Ва, Sr, Са) О толщиной 10-40 мкм. Минимальная толщина поверхностного слоя эмиссионно-активного вещества составляет 10 мкм, что
2
обеспечивает равномерную сплошность эмиссионной поверхности. При поверхностном слое эмиссионно-активного вещества более 40 мкм возможен перегрев (повышение температуры) поверхности катода, что увеличивает скорость испарения окиси бария и ведет к сокращению срока службы. Такой слой обеспечивает необходимую скорость доставки бария на поверхности и позволяет вести токоотбор до 5 А/см при 1000-1200 K в непрерывном режиме.
2
3
Катод, матрица которого выполнена в виде чередующихся островков вольфрама и алюмината 3BaO·0,5CaO·AlO, центры которых образуют гексагональную плотноупакованную решетку и имеют контакт между собой и подложкой выполненной из молибдена. Нанесенное плазменным методом [3] на эту структуру пористое вольфрамовое покрытие, слой толщиной 10-30 мкм определяет характер скорости испарения и эмиссионную однородность.
2
3
Для сравнительного рентгеноструктурного микроанализа был изготовлен металлопористый катод по стандартной технологии с вольфрамовой матрицей пористостью 25-30%, пропитанной алюминатом 3BaO·0,5CaO·AlO (образец №2).
В процессе обследования образцы катов перемещались под неподвижным электронном зондом. Зона взаимодействия электронного пучка с образцами представляла собой полоску 200×(1-2) мкм ориентированную длинной стороной параллельно эмиссионной поверхности катода.
Измерения проводили на поверхности излома и определяли содержание Ba и Ca в объеме. В таблице 1 приведены результаты, полученные по 50-ти измерения на каждом образце.
где а - средний % по массе, σ - среднеквадратичное отклонение % по массе, U - коэффициент вариации U=σ/а.
Коэффициент вариации определяет полидисперсность (разброс данных) или степень однородности.
Из таблицы видно, что образец с упорядоченной гексагональной структурой имеет более высокую однородность распределения эмиссионно-активных компонентов, что в итоге определяет эмиссионную однородность катода.
2
3
Предлагаемый катод с гексагональной плотноупакованной структурой матрицы в виде чередующихся островков металла (вольфрама) и эмиссионно-активного вещества алюмината 3BaO·0,5CaO·AlO, позволяет управлять запасом эмиссионно-активного вещества и пористостью матрицы.
Катоды с такой структурой имеют те же эмиссионные свойства (работу выхода), что и обычные стандартные катоды, но работают при более высоких температурах, чтобы достичь высокой плотности тока. Повышенное испарение бария, компенсируется большим количеством бария, содержащимся в матрице катода. Это равносильно увеличению срока службы катода, по сравнению со стандартной структурой, работающего при той же температуре.
Тонкий поверхностный слой W 10-100 мкм изменяет газопроницаемость матрицы на порядок и становится эквивалентен матрице сформированной плазменной технологией [3]. Для такой матрицы скорость испарения эмиссионно-активного вещества на порядок ниже, чем у катодов, изготовленных по традиционной технологии Леви.
-9
2
-4
-4
2
Структура матрицы обеспечивает равномерную диффузию и незначительную скорость испарения эмиссионно-активного вещества 1·10 г/см при 1460 K. Минимальная толщина поверхностного слоя должна быть соизмерима с о средним размером частиц из которых формируется основная матрица, и составляет примерно 10 мкм, что обеспечивает достаточное сопротивление кнудсеновскому потоку испаряющегося эмисеионно-активного вещества и газопроницаемость 1·10 - 10·10 г/см. При пористом поверхностном слое вольфрама толщиной более 100 мкм не достигается необходимым объемная концентрация при легировании основной вольфрамрвой матрицы металлами Os, Ir, Ru, Rh, Re в процессе срока службы.
Литература
1. Maslennikow О, Thermionic multilayer monolith cathodes, Abstact of Int. Vac. Electron Sources Conf. Endnofen, July 1996, В. 1.
2. Киселев А.Б. Металлооксидные катоды электронных приборов - М. изд-во. МФТИ, 2001 г. стр. 83-84.
3. Смирнов В.А. Высокоэффективные металлопористые (импрегнированные) катоды для электровакуумных приборов - X юбилейная науч.-тех. конф. «Вакуумная наука и техника», 2003 г., т. 2, с. 436.