Материал эмиссионного покрытия катодов электронно-ионных приборов

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве газоразрядных источников света высокого давления. Материал эмиссионного покрытия катодов содержит оксид кальция и оксид иттрия, или оксид иттербия, или оксид скандия при следующем соотношении компонентов (мол.%): оксид кальция - 50-51, оксид иттрия, или оксид иттербия, или оксид скандия - 50-49. Технический результат- повышение стойкости к термическому испарению с рабочей температурой катода ~1700-1950 К. 2 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве газоразрядных источников света высокого давления.

В настоящее время в производстве газоразрядных источников света высокого давления с рабочей температурой катода ~1700-1950 К (например, ламп ДРЛ) в качестве катодного покрытия применяется оксид иттрия (Y2O3), обладающий высокой стойкостью к термическому испарению (Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов. Справочник. Киев, Наукова думка. 1981, с.163, 174).

Недостатком известного решения являются низкие эмиссионные свойства катодного покрытия: при 1900 К эффективная работа выхода электрона из Y2O3 составляет φэф ~3,5 эВ.

Технический результат заключается в получении оксидного термоэмиссионного материала, сочетающего в себе высокую стойкость к термическому испарению с рабочей температурой катода ~1700-1950 К.

Сущность изобретения заключается в том, что материал эмиссионного покрытия катодов электронно-ионных приборов содержит оксид кальция и или оксид иттрия, или оксид иттербия, или оксид скандия при следующем соотношении компонентов (мол.%): оксид кальция - 50-51, оксид иттрия, или оксид иттербия, или оксид скандия - 50-49.

Изменение указанного мольного соотношения оксида кальция с одним из оксидов редкоземельного металла: или оксид иттрия (СаО:Y2O3), или оксид иттербия (СаО:Yb2O3), или оксид скандия(СаО:Sc2O3), приводит к увеличению работы выхода сложного оксида и уменьшению стойкости к термическому испарению.

Способ получения материала эмиссионного покрытия катодов электронно-ионных приборов осуществляют следующим образом.

Синтез твердых растворов, осуществлявшийся способом совместного осаждения металлов, включает следующие этапы:

1. Совместное осаждение ионов Са2+ и одного из ионов РЗЭ: Y3+, Yb3+, Sc3+ - осуществлялось из смеси водных растворов их хлоридов, взятых в определенном соотношении, добавлением к ней двойного избытка осадителя - водного раствора оксалата аммония (NH4)2C2O4.

Выпавший осадок продукта совместного осаждения отфильтровывался, промывался на фильтре слабым водным раствором щавелевой кислоты и высушивался на воздухе при комнатной температуре ~12 ч.

Воздушно-сухой осадок растирался в алундовой ступке до мелкодисперсного состояния; из порошка прессовались компакты: ⌀25 мм, h=2-3 мм, Рпресс.=50 кг/см2.

2. Утильный обжиг компактов продукта совместного осаждения проводился на воздухе в силитовой печи при 1500-1550 К в течение 2,0-2,5 часов, после чего они вынимались горячими и остывали до комнатной температуры в эксикаторе с фосфорным ангидридом (Р4O10). Остывшие компакты вновь измельчались в ступке.

3. Окончательный обжиг, в ходе которого полностью завершается синтез материала и удаляется примесь углерода, осуществляется в печи СШВЛ при 1900-1950 К, ~20-25 мин. Для окончательного обжига из порошка, полученного в результате утильного обжига, прессовались таблетки (⌀10 мм, h=1-2 мм, Рпресс.=100 кг/см2) и помещались в засыпку, химический состав которой аналогичен составу таблетки, находящуюся в молибденовой ампуле, внутренняя поверхность которой футерована ниобиевой фольгой, причем засыпки берется столько, чтобы внутренний свободный объем ампулы после завинчивания крышки был минимален. По окончании обжига материал остывал вместе с печью до комнатной температуры.

Режим окончательного обжига подбирается таким образом, чтобы не допустить оплавления таблеток.

4. Идентификация синтезированного материала химическим и дифрактометрическим методами.

5. Синтезированный материал растирался в алундовой ступке, просеивался через капроновое сито (500 меш/см2), смешивался со связующим (бутилметакрилатом) и наносился на катод методом окунания.

Пример 1. К смеси водных растворов 100 мл хлорида кальция (СаСl2, 0,2 М) и 57 мл хлорида иттрия (YCl3, 0,73 М) по каплям добавлялся двойной избыток осадителя - 400 мл водного раствора оксалата аммония ((NH4)2C2O4, 0,3 М) при постоянном перемешивании реакционной смеси на магнитной мешалке. Выпавший осадок продукта совместного осаждения сразу же отделялся от маточного раствора фильтрованием, промывался слабым раствором щавелевой кислоты (pHр-ра ~4), высушивался на воздухе до комнатной температуры, растирался в алундовой ступке и компактировался. Компакты (⌀25 мм, h=2-3 мм, Рпресс.=50 кг/см2) прокаливались на воздухе при 1500-1550 К, 2-2,5 ч, затем горячий алундовый тигель с компактами извлекался из печи и остывал в эксикаторе, заполненном фосфорным ангидридом (Р4O10), до комнатной температуры. Остывшие компакты измельчались в алундовой ступке. Из порошка прессовались плотные таблетки ⌀10 мм, h=1-2 мм, Рпресс.=100 кг/см2. Прессовки помещались в толстостенную молибденовую ампулу с завинчивающейся крышкой, внутренний объем которой футерован ниобиевой фольгой, в находящуюся там засыпку, состоящую из 50 мол.% оксида кальция (СаО), предварительно высушенного при 480 К, и из 50 мол.% оксида иттрия Y2О3, предварительно прокаленного при 1300 К, 1 ч. Закрытая ампула помещалась в печь СШВЛ, которую откачивали до р=10-3 мм рт.ст., нагревали до 1900-1950 К и выдерживали при этой температуре 20-25 мин. До комнатной температуры образец остывал вместе с печью. Остывшие таблетки растирались в алундовой ступке, порошок просеивался через капроновое сито (500 меш/см2), смешивался с бутилметакрилатом (БМК) и наносился на вольфрамовый (W) катод.

Пример 2. К смеси водных растворов 100 мл хлорида кальция (СаСl2, 0,2 М) и 53,5 мл хлорида иттербия (YbCl3, 0,75 М) при постоянном перемешивании на магнитной мешалке по каплям добавлялся двойной избыток осадителя - 400 мл водного раствора оксалата аммония ((NH4)2C2O4, 0,3 М). Далее все как в примере 1. Состав засыпки - 50 мол.% оксида кальция (СаО), 50 мол.% оксида иттербия (Yb2O3).

Пример 3. К смеси водных растворов 100 мл хлорида кальция (CaCl3, 0,2 М) и 50 мл хлорида скандия (ScCl3, 0,8 М) при постоянном перемешивании на магнитной мешалке по каплям добавлялось 400 мл водного раствора оксалата аммония ((NH4)2C2O4, 0,3 М). Далее все как в примере 1. Состав засыпки - 50 мол.% оксида кальция (СаО) и 50 мол.% оксида скандия (Sс2O3).

Химическим и дифрактометрическим методами установлено, что вещества, полученные в примерах 1-3, являются эквимолярными твердыми растворами оксидов кальция и иттрия (СаО:Y2O3), оксидов кальция и иттербия (СаО:Yb2O3), оксидов кальция и скандия (СаO:Sс2O3) без примесей индивидуальных оксидов. В качестве примера на рис.1 приводится дифрактограмма твердого раствора СаО:Y2О3, снятая при комнатной температуре, ДРОН-2, Сu отфильтрованное излучение.

Для изучения температурной зависимости величины удельного объемного электрического сопротивления ρV=f(T) синтезированных твердых растворов были получены плотные керамики на их основе. Спекание керамик осуществлялось в ходе окончательного обжига. В этом случае увеличивалось давление прессования таблеток (Рпресс.=150 кг/см2), температура в печи СШВЛ (до 1950-1980 К) и время выдержки в ней (до 40-60 мин).

Дифрактограммы каждого из синтезированных твердых растворов и керамики на его основе аналогичны, т.е. спекание в указанных условиях не приводит к изменению фазового состава и структуры материала, что позволяет исследовать температурную зависимость его удельного объемного электрического сопротивления (ρV=f(T)).

В таблицах 1, 2 и на рис.2 приводятся результаты измерений на воздухе на постоянном (=) и переменном (~1500 Гц) токах в режимах нагревания (● - на постоянном (=) и ◇ -на переменном (~) токе) и охлаждения (□ - на постоянном (=) и × - на переменном (~) токе) зависимости ρV=f(T-1) твердых растворов СаО:Y2О3 и СаO:Yb2О3, из которых следует, что в рассмотренных температурных интервалах твердые растворы являются полупроводниками с отрицательными температурными коэффициентами электросопротивления, не претерпевающими фазовых или химических изменений (близость значений ρV, полученных в процессах нагревания и охлаждения образца), основной вклад в общую проводимость которых вносит ее электронная составляющая (практическое совпадение значений ρV, измеренных на постоянном и переменном токах).

Установлено, что в рассмотренных температурных интервалах твердые растворы CaO:Y2O3, СаО:Yb2O3 и CaO:Sc2O3 являются полупроводниками р-типа. В то же время известно [4], что в качестве термоэмиттеров могут использоваться полупроводники, обладающие n-типом проводимости с отрицательным температурным коэффициентом электросопротивления.

Из рис.2 и табл.1, 2 следует, что нагревание на воздухе (р(O2)=0,21 атм) твердых растворов СаО:Y2О3 и СаО:Yb2О3 до 1525 и 1380 К соответственно не приводит к изменению их типа проводимости, хотя уже на воздухе начинается р-n переход с ~1215 К у СаО:Y2О3 и с ~1145 К у СаО:Yb2О3 (увеличение тангенса угла наклона соответствующего участка ломаной прямой зависимости ρV=f(T-1) с положительным направлением оси абсцисс).

По оценочным расчетам, подтвержденным в ходе экспериментального определения величины работы выхода твердых растворов, для изменения их типа проводимости необходим нагрев в вакууме 10-3 атм (р(O2)=10-4 атм) при 1300-1350 К.

Экспериментально определенная эффективная работа выхода синтезированных твердых растворов определяется следующими выражениями:

для CaO:Yb2O3 φэф=1,4±0,2+4,0·10-4T, эВ,

для CaO:Y2O3 φэф=1,6±0,2+4,0·10-4T, эВ,

для CaO:Sc2O3 φэф=1,4±0,2+4,0·10-4T, эВ,

т.е. соизмерима с эффективной работой выхода для Ba2CaWO6, у которого φэф ~2,4 эВ при 1100 К по данным [1].

Сравнительно невысокая работа выхода для безбариевых катодов требует дополнительных исследований.

Таблица 1
Температурная зависимость величины удельного объемного электрического сопротивления твердого раствора СаО:Y2О3, измеренная на воздухе на постоянном (=) и переменном (~) токе
Т, К 104/T Uвх (=), В Uвых (=), В Uвх (~), В Uвых (~), B Rобр, Ом Rx, Ом ρv, Ом·м lg ρv
539 18,5 1,8 1,75 - - 302,6·103 10,6·106 4,8·105 5,7
700 14,3 1,8 1,72 - - 302,6·103 6,5·106 3·105 5,5
834 12 1,8 1,45 - - 302,6·103 12,5·105 5,8·104 4,76
916 10,9 1,8 0,91 - - 302,6·103 309·103 14·103 4,15
- - 1,0 0,5 256,7·103 256,7·103 12·103 4,10
997 10,0 1,8 0,9 - - 76,1·103 76,1·103 3,5·103 3,5
- - 1,0 0,5 62·103 62·103 2,9·103 3,46
1112 9,0 1,8 0,95 - - 8,99·103 10·103 462 2,67
- - 1,0 0,48 11,2·103 10,4·103 475 2,68
1196 8,4 1,78 0,89 - - 3330 3330 153 2,2
- - 1,0 0,5 3330 3330 153 2,2
1269 7,9 1,8 0,9 - - 1486 1486 67 1,8
- - 1,0 0,5 1486 1486 67 1,8
1361 7,35 1,82 0,9 - - 645 645 29 1,46
- - 1,0 0,5 645 645 29,7 1,47
1440 6,95 1,8 0,9 - - 322 322 15 1,17
- - 1,0 0,5, 322 322 15 1,17
1515 6,6 1,8 0,9 - - 129,7 129,7 6 0,8
1523 6,6 1,8 0,9 - - 129,7 129,7 6 0,8
- - 1,0 0,5 129,7 129,7 6 0,8
Охлаждение
1278 7,8 - - 1,0 0,5 413 413 19 1,28
1168 8,6 - - 1,0 0,5 913 913 42 1,62
1143 8,75 - - 1,0 0,48 4724 4360 200 2,30
1043 9,6 - - 1,0 0,52 14,95·103 16,2·103 7,5·102 2,88
978 10,2 - - 1,0 0,52 46,3·103 50,16·103 2,3·103 3,36
777 12,8 1,80 1,65 - - 159·103 1755·103 80,5·103 4,9
Таблица 2
Температурная зависимость величины удельного объемного электрического сопротивления твердого раствора СаО:Yb2O3, измеренная на воздухе на постоянном (=) и переменном (~) токе
Т, К 104/T Uвх (=), В Uвых (=), в Uвх (~), В Uвых (~), B Rобр, Ом Rx, Ом ρv, Ом·м Ig ρv
827 12,1 1,8 0,9 - - 82900 82900 4808 3,68
- - 1,0 0,5 76100 76100 4414 3,65
923 10,8 1,75 0,9 - - 13000 13764 798 2,90
- - 1.0 0,5 14950 14950 867 2,94
1097 9,1 1,75 0,88 - - 913 923 53,6 1,78
- - 1,0 0,48 1085 1001 58,1 1,76
1220 8,2 1,8 0,88 - - 239 229 13,2 1,12
- - 1,0 0,5 239 239 13,9 1,14
1326 7,5 1,8 0,9 - - 64,7 64,7 3,8 0,57
- - 1,0 0,5 64,7 64,7 3,8 0,57
1371 7,3 - - - - - - - -
- - 1,0 0,5 49,5 49,5 2,9 0,46
1378 7,25 1,8 0,9 - - 64,7 64,7 3,8 0,57
- - 1,0 0,5 49,5 49,5 2,9 0,46
Охлаждение
1313 7,6 1,76 0,87 - - 108 105,6 6,1 0,78
- - 1,0 0,49 129,1 124 7,2 0,86
1214 8,2 1,8 0,9 - - 267 267 15,5 1,2
- - 1,0 0,5 267 267 15,5 1,2
1053 9,5 1,87 0,78 - - 2738 1959 113,6 2,05
- - 1,0 0,5 2968 2968 172 2,23
998 10,0 1,8 0,9 - - 3837 3837 222,5 2,35
- - 1,0 0,5 5597 5597 324,7 2,50
938 10,7 1,8 0,9 - - 13000 13000 754 2,88
- - 1,0 0,5 13000 13000 754 2,88

Материал эмиссионного покрытия катодов электронно-ионных приборов, заключающийся в том, что его состав содержит оксид кальция и оксид иттрия, или оксид иттербия, или оксид скандия при следующем соотношении компонентов, мол.%:

оксид кальция 50-51
оксид иттрия, или оксид иттербия,
или оксид скандия 50-49


 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронной технике, а именно к металлопористым катодам электронных приборов СВЧ-типа и способам изготовления их катодов. .

Фотокатод // 2454750
Изобретение относится к области электровакуумной электронной техники. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных катодов для ионно-плазменного напыления многокомпонентных наноструктурных покрытий.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к изготовлению электродов к аппаратам, предназначенным для исследования явления свечения у объектов в импульсном электромагнитном поле высокой напряженности.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к устройству источника электронов, и может быть использовано в ускорителях электронов, ускоренный пучок которых используется для радиационных технологий, таких как очистка сточных вод, очистка газов электростанций, работающих на угле, в линейных ускорителях, используемых для рентгеновской диагностики в медицинских целях, и в др.
Экран // 2439638
Изобретение относится к области эргономики, а именно к конструкциям оптических экранов. .

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к широкому классу плазменных двигателей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды.

Изобретение относится к углеродсодержащим наноматериалам с низким порогом полевой эмиссии электронов (НППЭЭ). .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения композиционных катодов для ионно-плазменного напыления многокомпонентных наноструктурных нитридных покрытий и может быть использовано в химической, станкоинструментальной промышленности, машиностроении, металлургии для получения наноструктурных покрытий методом ионно-плазменного напыления.

Изобретение относится к области электроники и нанотехнологии, в частности к способу создания материала для высокоэффективных автоэмиссионных катодов на основе углеродных нанотруб, которые могут найти применение в дисплеях, панельных лампах, ионизаторах, рентгеновских источниках и других областях техники

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности к способу обработки поверхности электронно-полевых катодов, изготовленных из углеродных наноматериалов, которые могут использоваться для производства дисплеев, осветительных элементов, радиочастотных усилителей, в рентгеновских установках, ионизаторов газовых сред, измерителей вакуума

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии многоострийных углеродных структур

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технике газоразрядных приборов
Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении изделий светоиндикаторной техники и эмиссионной электроники на основе автоэлектронной эмиссии матрицы многоострийных углеродных эмиттеров на пластинах монокристаллического кремния

Изобретение может найти применение в качестве приборной структуры для твердотельных автоэмиссионных диодов и эмитирующих электроны активных элементов функциональных узлов как в твердотельной электронике, так и в вакуумной эмиссионной электронике, в том числе в силовой СВЧ электронике. Гетеропереходная структура согласно изобретению состоит из полупроводниковых слоев n- и p-типа проводимости, расположенных последовательно на подложке n-типа, гомогенной прилежащему к ней полупроводниковому слою n-типа и имеющей омический контакт к тыльной стороне, при этом на поверхности n-слоя со стороны n-p гетерограницы расположен массив из наноструктурированных объектов, p-слой выполнен в виде алмазной пленки, толщина которой не превышает диффузионную длину электронов, а концентрация акцепторов в нем находится в диапазоне 1020-1024 м-3. Изобретение обеспечивает возможность значительного увеличения рабочих токов автокатода, либо автоэмиссионных диодов, повышения стойкости устройств к деградации и увеличения их рабочего ресурса. 5 з.п. ф-лы, 1 пр., 6 ил.

Изобретение относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к источникам для получения электронного потока - автоэмиттерам (холодным эмиттерам) электронов, материалам и способам их изготовления. Подобные катоды могут использоваться в качестве источников электронов в различных электронных приборах - электронных микроскопах, рентгеновских трубках, усилительных и генераторных приборах СВЧ электроники, источниках света и т.п. Технический результат изобретения - получение стабильного автоэмиссионного катода с высокой удельной проводимостью, плотностью автоэмиссионного тока до 20 мА/см2. Результат достигнут использованием в автоэмиссионном катоде объемного композитного материала, содержащего частицы металла, окруженные наноструктурированным углеродным материалом (углеродные или углерод-азотные нанотрубки, углеродные нановолокна, фуллерены и им подобные материалы). При этом металл обеспечивает низкое удельное сопротивление, высокую теплопроводность и механическую прочность, а наноуглеродный материал - высокие эмиссионные свойства катода. Для повышения эффективности автоэлектронной эмиссии при изготовлении катода применены: дополнительная механическая обработка с удалением поверхностного слоя катода и последующей шлифовкой, химическое и плазменное травление рабочей поверхности. Полученный катод обеспечивает плотность автоэмиссионного тока на уровне 10-20 мА/см2 с высокой стабильностью и однородностью. 4 ил.

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно, к способу получения трехмерно-структурированной полупроводниковой подложки для автоэмиссионного катода, и может быть использовано в различных электронных приборах: СВЧ, рентгеновских трубках, источниках света, компенсаторах заряда ионных пучков и т.п. Создание трехмерно-структурированной полупроводниковой подложки, на которую наносят эмитирующую пленку автоэмиссионных катодов в виде микроострийной квазирегулярной ячеисто-пичковой структуры с аспектным отношением не менее 2 (отношение высоты острий к их высоте), позволяет повысить эмиссионную характеристику катодов, что является техническим результатом заявленного изобретения. Полупроводниковую подложку для формирования на ней требуемой микроострийной структуры подвергают фотоэлектрохимическому травлению в водном или безводном электролите, меняя режимы травления и интенсивность подсветки. Предложена также структурированная полупроводниковая подложка для автоэмиссионного катода из кристаллического кремния р-типа с проводимостью от 1 до 8 Ом*см и сам автоэмиссионный катод с такой подложкой, обладающий повышенными эмиссионными характеристиками. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электронной техники. Способ изготовления МДМ-катода заключается в нанесении на подложку нижнего электрода, диэлектрика, верхнего электрода и формовку структуры. На нижнем электроде создается регулярная наноострийная структура в виде столбиков с плотностью 5·10 см-2 путем электрохимического осаждения металла через шаблон из полимерной пленки со сквозными порами. Технический результат - повышение плотности тока эмиссии и ее равномерности по поверхности МДМ-катода. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к способам лазерной обработки материалов при изготовлении автоэмиссионных катодов из стеклоуглерода, которые могут быть использованы в области приборостроения электронной техники, а именно в электровакуумных приборах с большой плотностью электронных потоков и микросекундным временем готовности. Для создания автоэмиссионного катода в качестве углеродного материала используют стеклоуглерод. Формирование эмиттеров на поверхности катода производят фрезеровкой сфокусированным лазерным излучением и последующей лазерной очисткой поверхности катодной структуры. Нанесение эмитирующей структуры на поверхности эмиттеров катода производят лазерной микрогравировкой с образованием поля микроострий пирамидальной формы с последующей вырезкой основания катода сфокусированным лазерным излучением и лазерной очисткой эмитирующих структур. Технический результат - повышение технических характеристик автоэмиссионного катода. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве газоразрядных источников света высокого давления

Наверх