СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЭМИТТИРУЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОПОРИСТОГО КАТОДА
METHOD TO PROCESS EMITTING SURFACE OF DISPENSER CATHODE

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам обработки эмиттирующей поверхности металлопористых катодов электронных приборов СВЧ-типа - ламп бегущей волны (ЛБВ) и ламп обратной волны (ЛОВ). Может быть использовано для повышения и обеспечения стабильной эмиссионной способности металлопористых катодов.
При производстве металлопористых катодов осуществляют операцию механической обработки, при которой пропитанную активным веществом губку катода обрабатывают резцом для формирования заданной конфигурации узла. Вследствие механической обработки металлопористого катода происходит нарушение структуры поверхности эмиттера - завальцовка поверхностных пор.
Существует несколько способов обработки эмиттирующей поверхности с целью вскрытия завальцованных пор. К таким способам относят травление - термическое, химическое, ионное, ионно-плазменное, а также другие виды обработки - электрохимическую полировку, перекристаллизационный отжиг и т.д.
Термическое травление - вакуумный и водородный отжиг, за практически приемлемое время отжига не приводят к существенному изменению структуры поверхностного деформированного слоя губки катода. Его недостатки - увеличение температуры и времени отжига приводят к уменьшению запаса активного вещества в катоде и, соответственно, к уменьшению долговечности.
Известен способ обработки эмиттирующей поверхности металлопористого катода [авторское свидетельство SU на изобретение №507902], при котором поверхность катода обрабатывают химическим травлением в соляной кислоте.
Однако химическое травление приводит к гидратации и к изменению необходимого состояния активного вещества в порах губки, а также к неконтролируемым загрязнениям катода посторонними веществами.
Известны также способы обработки рабочей поверхности металлопористых термокатодов [авторское свидетельство SU на изобретение №679001, патент RU на изобретение №1771329], при которых осуществляют обработку эмиттирующей поверхности ионным травлением. После на эмиттирующую поверхность катода наносят металлическую пленку, улучшающую эмиссионные параметры катода, например осмий или его сплавы.
Известны также способы обработки рабочих поверхностей металлопористого катода [патенты RU на изобретения №2004027, 2078389], в которых вскрытие антиэмиссионого покрытия осуществляют путем ионно-плазменного травления.
Недостатком вышеперечисленных способов является трудность контроля равномерности процесса травления. Кроме того, данные способы обработки рабочей эмиттирующей поверхности металлопористого катода имеют большую продолжительность по времени.
Известен также способ обработки эмиттирующей поверхности металлопористого катода по патенту RU на изобретение №2074445, суть которого - удаление избытка эмиссионного состава с неэмиттирующих поверхностей посредством импульсов лазерного излучения.
Перед данной операцией согласно патенту технология изготовления металлопористого катода включает создание заданной геометрии эмиттирующей поверхности. Основной проблемой в технологии таких катодов является обеспечение четких границ между эмиттирующей и неэмиттирующей поверхностями. Именно это задает границы электронного потока в приборе. Эмиттирующее вещество должно полностью отсутствовать на деталях катодно-подогревательного узла, примыкающих к эмиттирующей поверхности. После изготовления эмиттирующих и неэмиттирующих участков поверхности заданной геометрии осуществляют пропитку пористой матрицы расплавленным эмиссионным составом. Затем удаляют застывший на неэмиттирующих поверхностях избыток эмиссионного состава. Обработку рабочей неэмиттирующей поверхности катода производят посредством импульсов лазерного излучения за счет локального испарения материала.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ обработки эмиттирующей поверхности металлопористого катода [Ли И.П., Рухляда Н.Я. Создание поверхностных структур с заданными свойствами с помощью концентрированных потоков частиц// Физика и химия обработки материалов. 2005. №1], включающий механическую обработку, вскрытие завальцованных пор. Вскрытие завальцованных пор производят с помощью плазменной обработки поверхностного слоя катода мощным коротким импульсом ионов аргона. В результате данной обработки происходит оплавление поверхностного слоя и в нем формируется сетчатая или ячеистая структура, прочно сплавленная с матрицей катода.
Недостатком данного способа является сложность его выполнения, большие энергозатраты и необходимость соблюдения ряда заданных значений параметров для получения результата, например давления в разрядной камере, тока разряда.
Задачей заявляемого способа является обеспечение идентичности геометрии локальных фрагментов на эмиттирующей поверхности катода для создания равномерной и стабильной на длительное время эмиссии.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе обработки эмиттирующей поверхности металлопористого катода, включающем механическую обработку, вскрытие завальцованных пор, последнее производят с помощью направления импульсного лазерного излучения на эмиттирующую поверхность с обеспечением формирования равномерно распределенных по ней микроотверстий, при этом геометрические размеры и длина волны импульсного лазерного излучения подчинены соотношениям:
λ/h=0.009÷0.13 для ультрафиолетовой области излучения,
λ/h=0.019÷0.26 для диапазона видимого излучения,
λ/h=0.039÷0.84 для инфракрасного излучения,
при d/1=0.1÷1,
h/d=0.15÷10,
где λ - рабочая длина волны импульсного лазерного излучения, мкм;
h - глубина микроотверстий, мкм;
d - диаметр микроотверстий, мкм;
l - расстояние между центрами микроотверстий, мкм,
после чего наносят на эмиттирующую поверхность слой металла платиновой группы и осуществляют термическую обработку эмиттирующей поверхности катода.
Заявляется также способ обработки эмиттирующей поверхности металлопористого катода с вышеописанными признаками, в котором для обработки эмиттирующей поверхности сферического профиля формирование микроотверстий обеспечивают фокусировкой лазерного луча, при которой:
Δf>Δr,
где Δf - протяженность цилиндрического участка сфокусированного лазерного луча в зоне его перетяжки при постоянном диаметре пятна, мм;
Δr - максимальная величина радиуса кривизны эмиттирующей поверхности сферического профиля, мм.
Технический результат предлагаемого способа заключается в упрощении технологии и сокращении времени процесса изготовления катода. В сравнении с наиболее близким аналогом данный способ обработки поверхности катода многократно сокращает время процесса до 16 секунд (а вместе с заваркой и юстировкой до 1 мин на один катод). Для сравнения при плазменной обработке способ длится 6-7 часов (на 19 катодов одновременно).
Кроме того, данный способ позволяет повысить качество изготовляемой продукции, поскольку позволяет получить полностью идентичные по конфигурации торцевые катоды с плоской или сферической поверхностью с однозначным сохранением необходимых геометрических размеров составляющих элементов, влияющих на оптику катодно-пушечного узла. Поэтому способ обеспечивает изготовление катодов со стабильной и равномерной эмиссией пучка и сведением к минимуму паразитной эмиссии. Предлагаемый способ позволяет проводить заданную по размерам обработку эмиттирующей поверхности катода в автоматизированном режиме с учетом радиуса кривизны эмиттирующей поверхности сферического профиля катода и с высокой повторяемостью результатов. Способ имеет преимущества по экономическим, технологическим параметрам при незначительной стоимости используемой установки.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-2, на которых изображено: на Фиг.1 - общий вид металлопористого катода, на Фиг.2 - полученная заявляемым в данной заявке способом эмиттирующая поверхность металлопористого катода. На Фиг.1-2 позициями 1-4 обозначены:
1 - корпус из тугоплавкого металла;
2 - вольфрамовая губка;
3 - эмиттирующая поверхность;
4 - микроотверстия.
Способ осуществляют следующим образом.
2
3
Осуществляют механическую обработку поверхностного слоя изготовленного ранее металлопористого катода, представляющего собой корпус 1 из тугоплавкого металла с помещенной в ней пропитанной активным веществом, преимущественно, 3ВаО·АLО·0.5СаО, вольфрамовой губкой. Для этого последнюю обрабатывают подрезным резцом. Вследствие механической обработки поверхностного слоя металлопористого катода происходит завальцовка поверхностных пор на глубину 5-10 мкм. Вскрытие завальцованных пор производят с помощью направления импульсного лазерного излучения на эмиттирующую поверхность 3 с обеспечением формирования равномерно распределенных по ней микроотверстий 4. При этом геометрические размеры микроотверстий 4 и параметры лазерного импульсного излучения подчинены следующим соотношениям: λ/h=0,009÷0,13 для ультрафиолетовой области излучения, λ/h=0,019÷0,26 для диапазона видимого излучения, λ/h=0,039÷0,84 для инфракрасного излучения, где λ - рабочая длина волны лазерного излучения, мкм, h - глубина микроотверстий, мкм. Для всех трех видов излучения вышеназванные соотношения справедливы при условии d/l=0.1÷1, h/d=0.15÷10, где d - диаметр микроотверстий (мкм), l - расстояние между центрами микроотверстий (мкм).
Наносят на эмиттирующую поверхность 3 слой металла платиновой группы. Производят термическую обработку эмиттирующей поверхности 3 металлопористого катода для обезгаживания, удаления примесей и т.п. Для обработки эмиттирующей поверхности 3 катода сферического профиля формирование микроотверстий 4 обеспечивают фокусировкой лазерного луча, при которой перетяжка луча в зоне фокусировки составляет цилиндрическую трубку по всей эмиттирующей поверхности 3 катода, т.е. Δf>Δr, где Δf - протяженность цилиндрического участка сфокусированного лазерного луча в зоне его перетяжки при постоянном диаметре пятна, мм, Δr - максимальная величина радиуса кривизны эмиттирующей поверхности 3 катода сферического профиля, мм.
Пример
Способ прошел апробацию в условиях промышленного производства одного из заводов на металлопористых катодах сферического профиля с диаметром эмиттера 2,8 мм и радиусом кривизны эмиттирующей поверхности катода 0,15 мм.
2
После механической обработки катод жестко закрепили на подставке, поместили в стеклянную колбу и откачали из нее воздух до давления в колбе 1,3 Па (1·10 мм рт.ст.) во избежание окисления поверхности металлопористого катода. Провели обработку эмиттирующей поверхности металлопористого катода импульсным лазерным излучением по программе ЭВМ с учетом заданного радиуса кривизны катода с обеспечением формирования равномерно распределенных по эмиттирующей поверхности катода микроотверстий.
Данный катод выполнен с использованием источника импульсного излучения - твердотельного лазера с длиной волны 1,06 мкм.
Конкретные соотношения в данном примере были обеспечены следующими: d/l=0.75, h/d=0.4, λ/h=0.18, где рабочая длина волны лазерного излучения λ=1,06 мкм, диаметр микроотверстий d=14.75 мкм, расстояние между центрами микроотверстий l=19.7 мкм, глубина микроотверстий h=5.9 мкм.
Фокусировку импульсного лазерного излучения на эмиттирующую поверхность металлопористого катода обеспечивали таким образом, чтобы перетяжка лазерного луча в зоне фокусировки составила цилиндрическую трубку по всей глубине эмиттирующей поверхности катода, т.е. протяженность цилиндрического участка сфокусированного лазерного луча в зоне его перетяжки при постоянном диаметре пятна Δf=1 мм, что больше максимальной величины радиуса кривизны эмиттирующей поверхности сферического профиля Δr=0.15 мм.
Затем покрыли эмиттирующую поверхность катода слоем металла платиновой группы. Произвели термическую обработку эмиттирующей поверхности металлопористого катода, удалив органические загрязнения.