Металлопористый резервуарный катод

Полезная модель относится к электронной технике, в частности к конструкции катодов электровакуумных приборов.
Известны металлопористые катоды диспенсерного типа с запасом эмиссионного вещества (резервуарные катоды) [1], в которых пористая матрица, сформированная из порошков тугоплавких металлов или их сплавов и пропитанная эмиссионным веществом на основе алюминатов щелочноземельных металлов, покрыта тонкой металлической сеткой с микронными отверстиями круглой формы. Матрица обеспечивает достаточный запас эмиссионного вещества, а сетка с заданной пористостью снижает скорость испарения, что в непрерывном режиме работы катода увеличивает его долговечность. Однако такая конструкция неустойчива к термоциклам включения-выключения нагрева катода, что приводит к отслаиванию сетки от матрицы, ее короблению, разрушению и сокращению срока службы катода в циклическом режиме.
Ближайшим прототипом предлагаемой полезной модели является многослойный резервуарный металлопористый катод [2], в котором верхняя матрица с эмиттирующей поверхностью выполнена из мелкодисперсного порошка и с большей плотностью, а нижняя матрица - из более крупного порошка и с меньшей плотностью. Указанные слои матриц прессуют и затем спекают друг с другом. Верхняя матрица обеспечивает снижение скорости испарения, а нижняя - необходимый запас эмиссионного вещества. По мнению авторов, такой катод обладает повышенной долговечностью.
Недостатком конструкции является необходимость раздельного прессования тонких пористых матриц из порошков тугоплавких металлов, с последующим их спеканием. Матрицы с различной плотностью в процессе срока службы катода дают разную усадку, что приводит к их расслоению, нарушению теплового контакта и нестабильности эмиссии, особенно для крупногабаритных катодов. Кроме того при прессовании порошков структура открытых пор на эмиттирующей поверхности повторяет структуру частиц порошка - сечение пор близко к «круглой» форме и большая часть эмиссионного вещества испаряется с катода в виде бесполезного (кнудсеновского) потока мимо эмиттирующей поверхности. На рабочую поверхность катода попадает только часть вещества за счет миграционного потока по периметру пор. Поэтому важно уменьшить сечение пор и увеличить их периметр, т.е. иметь поры в виде щелей. Тогда можно достигнуть малой скорости испарения, высокую однородность эмиссии и увеличения долговечности катода.
Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении термоциклической устойчивости, расширении диапазона типоразмеров и увеличении долговечности металлопористых резервуарных катодов в электровакуумных приборах.
Указанный технический эффект достигается благодаря тому, что в металлопористом резервуарном катоде, содержащем двухслойную пористую матрицу, выполненную из частиц тугоплавкого металла, например вольфрама или его сплавов, и пропитанную эмиссионным веществом, например алюминатом щелочноземельных металлов, слой матрицы с эмиттирующей поверхностью выполнен с порами в виде щелей, при этом ширина щелей h меньше или равна минимального размера частиц d (h≤d), а длина щелей L больше или равна максимального размера частиц D (L≥D) вольфрамового порошка. Слой матрицы с эмиттирующей поверхностью имеет пористость 19-20% и толщину 0,1-0,3 мм, а нижний слой матрицы имеет пористость 25-30% и толщину не менее 0,5 мм, матрицы сформированы из вольфрамового порошка с размером частиц 2-10 мкм.
На фиг. 1 представлены схемы конструкции металлопористого резервуарного катода и фрагмента эмиттирующей поверхности.
Фиг. 1
Схемы металлопористого резервуарного катода и фрагмента эмитирующей поверхности:
1 - корпус катода с подогревателем;
2 - пористая традиционная матрица;
3 - матрица с щелевой структурой пор;
4 - фрагмент эмиттирующей поверхности:
a - частица вольфрамового порошка;
б - щелевые поры.
2
3
-11
-12
2
Матрица 2, изготовленная методом прессования вольфрамового порошка с размером частиц 2-10 мкм с последующим спеканием, имеет пористость 25-30% и толщину не менее 0,5 мм, что обеспечивает достаточный запас эмиссионного вещества, например 3BaO⋅0,5CaO⋅AlO. При меньшей толщине матрицы запас вещества будет недостаточный для обеспечения заданной долговечности катода. Матрица 3 наносится на матрицу 2 плазменным напылением вольфрамового порошка того же гранулометрического состава. В плазменной среде частицы размягчаются, ускоряются и при ударе о поверхность деформируются, привариваются к ней и между собой. При этом поры, в отличии от метода прессования, образуются в виде щелей, ширина которых (0,1-0,01 мкм) значительно меньше минимального размера частиц, а их длина (10-100 мкм) превышает максимальный размер частиц. Пористость такой матрицы составляет 19-21%, что обеспечивает необходимый поток эмиссионного вещества к эмиттирующей поверхности 10-10 г/см⋅сек, при температуре 1350°K и толщине матрицы 0,1-0,3 мм. Меньшую толщину матрицы использовать нецелесообразно из-за повышения скорости испарения эмиссионного вещества, а при большей толщине его поток может быть недостаточным. Матрица, напыленная плазменным методом, не имеет усадки и за счет механизма сварки частиц между собой обеспечивается хорошее сцепление с нижней матрицей.
2
Изготовлены такие металлопористые резервуарные катоды диаметром 13 мм и испытаны в реальных мощных СВЧ приборах. Получено не менее чем 3-кратное увеличение долговечности в форсированном режиме по отбору плотности тока до 30 А/см.
Литература.
1. Thomas et al., United States Patent 4,101,800 Jul. 18, 1978.
2. Bischol N., Herrmann V., Schnur K., ФРГ 2808134 H01J 1/28 30.08.79.