Эмиссионный материал на основе алюминатов иттрия и лантана для металлопористых катодов мощных вакуумных электронных приборов
EMISSION MATERIAL BASED ON YTTRIUM AND LANTHANUM ALUMINATES FOR METAL-POROUS CATHODES OF HIGH-POWER VACUUM ELECTRONIC EQUIPMENT

Изобретение относится к материалам электронной техники, в частности к эмиссионным материалам металлопористых пропитанных катодов мощных вакуумных электронных приборов.
В качестве эмиссионного материала для пропитки вольфрамовой матрицы металлопористого катода используется тройная эвтектика на основе алюминатов иттрия и лантана, предварительно синтезированная из смеси оксидов алюминия, иттрия и лантана определенного состава. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих температур катода, возможность снижения температуры пропитки и обеспечение однородности химического фазового состава эмиссионного вещества по всей глубине пропитки.
Изобретение относится к материалам электронной техники, в частности к эмиссионным материалам металлопористых пропитанных катодов мощных вакуумных электронных приборов СВЧ-диапазона.
2
3
2
3
Известны металлопористые катоды (например, /1, 2/), у которых вольфрамовая матрица пропитана смешанными алюминатами бария-кальция. Состав этих алюминатов разнообразен, но наиболее широко используются эвтектические смеси алюминатов, получаемых в результате твердофазного синтеза или плавления смесей оксидов бария, кальция и алюминия, химического состава (в мольном соотношении) 3ВаО⋅0,5СаО⋅AlO и 5ВаО⋅3СаО⋅2AlO. Пропитка вольфрамовой матрицы этими алюминатами осуществляют при температурах (1750-1800°С). Конгруэнтное плавление эвтектической смеси алюминатов обеспечивает однородность химического и фазового состава эмиссионного вещества на всю глубину пропитки. Недостатками таких катодов является узкий диапазон рабочих температур 1000-1150°С. В случае использования катодов в магнетронах за счет обратной бомбардировки электронами температура катода может значительно повышаться, при этом происходит ускорение испарения эмиссионного вещества, падение электропрочности промежутка катод-анод и резкое сокращение срока службы катода и магнетрона.
Для устранения этих недостатков в мощных ЭВП для пропитки металлопористых катодов вместо алюминатов щелочноземельных металлов используют соединения редкоземельных металлов, например, смешанных алюминатов иттрия, лантана, лютеция и др. /3/. Состав смешанных алюминатов должен удовлетворять двум требованиям: иметь возможно более низкую температуру плавления для пропитки вольфрамовой матрицы и обладать достаточными эмиссионными и вторично-эмиссионными свойствами.
Целью изобретения является получение эмиссионного материала эвтектического состава на основе алюминатов иттрия и лантана с наиболее низкой температурой плавления для пропитки металлопористых катодов мощных вакуумных электронных приборов.
Сущность изобретения заключается в получении эмиссионного материала эвтектического состава на основе алюминатов иттрия и лантана из смеси оксидов алюминия, иттрия и лантана определенного состава методами твердофазного синтеза или плавления, при этом используемая в качестве материала для его синтеза смесь оксидов имеет состав, вес. %:
2
3
YO - 33;
2
3
LaO -16;
2
3
AlO - остальное.
Использование этого материала для пропитки металлопористых катодов мощных вакуумных электронных приборов позволит снизить температуру пропитки, обеспечить однородность химического и фазового состава эмиссионно-активного вещества на всю глубины пропитки катода, а, следовательно, и стабильность эмиссионных характеристик.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
3
5
12
3
1
2
Диаграмма состояния тройной системы YO-AlO-LaO полностью не построена. Из справочных данных /4/ известно, что в бинарных системах, образующих тройную систему YO-AlO-LaO, имеет место образование алюминатов иттрия (YAlO) и лантана (AlLaO) и двойных эвтектик Е (1780°С) и Е (1760°С) (рис. 1). На основе анализа имеющихся данных о фазовых соотношениях в исследуемой тройной системе можно предположить наличие области тройной эвтектики с более низкой температурой плавления.
2
3
2
3
2
3
По данным авторов /3/ более низкой температурой плавления (1650°С ± 25°С) обладает материал, содержащий смешанные бинарные алюминаты иттрия и лантана, состава (в пересчете на оксиды) YO:LaO:AlO - 20:25:55 вес. %. Отклонение от указанных составов, по мнению авторов, нецелесообразно, так как приводит к резкому увеличению температуры плавления смешанных алюминатов и соответственно к увеличению температуры пропитки вольфрамовой матрицы. Эмиссионные характеристики материала: работа выхода - 3,4÷3,5 эВ, максимальный коэффициент вторичной электронной эмиссии - 2,2÷2,3.
Этот эмиссионный материал, наиболее близкий по химическому составу и назначению к заявляемому изобретению, был выбран нами в качестве прототипа и исходного образца для проведения физико-химических исследований (состава, структуры, свойств) для уточнения состава и температуры тройной эвтектики.
Результаты исследований.
Эмиссионный материал для пропитки пористой вольфрамовой матрицы и экспериментального подтверждения заявляемого технического результата был синтезирован из смеси порошков оксидов исходного состава (точка Р на рис. 1) с использованием различных технологий (твердофазного синтеза и плавления). Для проведения комплекса физико-химических исследований материала (состава, структуры, свойств) на различных этапах был изготовлен ряд образцов в виде порошков и спрессованных таблеток (табл. 1).
Контроль химического и фазового состава синтезированных образцов осуществляли методами растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и рентгенофазового анализа (РФА). Измерение интервала температур плавления образцов (температур солидус и ликвидус) проводили методом дифференциального термического анализа (ДТА).
Анализ результатов исследования образцов прототипа показал:
- при плавлении и твердофазном синтезе химический состав образцов не изменяется: усредненный химический состав (в пересчете на оксиды) соответствует исходному;
- плавление смеси оксидов алюминия, иттрия, лантана исходного состава приводит к изменению фазового состава - образованию тройных алюминатов; при твердофазном синтезе также наблюдается изменение фазового состава, однако, система не находится в равновесном состоянии (присутствуют непрореагировавшие исходные оксиды);
1
2
- синтезированные образцы плавятся при более низких (по сравнению с температурами плавления двойных эвтектик E и Е) температурах; их плавление по данным ДТА происходит в интервале температур солидус - ликвидус (~ 1550÷1650°С (± 50°С)). Это свидетельствует о том, что синтезированный материал не является строго эвтектическим и изменение химического состава расплава в процессе пропитки пористой вольфрамовой матрицы катода может приводить к изменению химического состава эмиссионного вещества катода по глубине.
Этот факт был подтвержден при исследовании образцов группы D.
Пропитка вольфрамовой матрицы активным веществом проводилась по стандартной технологии изготовления металлопористых катодов. Вольфрамовая матрица (полученная прессованием и высокотемпературным спеканием вольфрамового порошка) пористостью ~20% в виде таблетки диаметром 10 мм, высотой 6 мм и с насыпанным на верхнюю поверхность порошком измельченного образца группы С нагревалась в водородной печи до 1800°С с 5-минутной выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением до комнатной температуры. Анализ однородности пропитки матрицы выполняли на поперечном шлифе методами РЭМ и РСМА.
1
Локальный анализ химического состава эмиссионного вещества в порах вольфрамовой матрицы показал его изменение по глубине катода (область составов Р на рис. 1). Полученные результаты позволили предположить, что эмиссионное вещество состава Е, заполнившее наиболее удаленные от поверхности поры, является эвтектическим и обладает наименьшей температурой плавления.
2
3
2
3
2
3
Для проверки этого предположения были изготовлены группы образцов Е, F, G с использованием смеси оксидов алюминия, иттрия, лантана состава Е (YO:LaO:AlO - 33:16:51 вес. %). Проведенные исследования образцов подтвердили, что синтезированное из этой смеси оксидов вещество является тройной эвтектикой с температурой плавления 1530°С (± 15°С), и его использование позволяет снизить температуру пропитки катода до 1700°С и обеспечивает однородность химического и фазового состава эмиссионного вещества на всю глубины пропитки металлопористого катода.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки.
1. Кудинцева Л.А. и др. Термоэлектронные катоды, изд. «Энергия», М.П. 1966 г. стр. 205.,
2. Тагути Тадакори и др. Патент Японии 52-185339, H01J 1/20, 29/04 от 30.01.84 г.),
3. Смирнов В.А. и др., Патент RU 2342732 С1 от Металлопористый пропитанный катод для магнетрона
4. Торопов Н.А. и др. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. - М.: Наука, 1965.