Состав материала для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы



Состав материала для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы
Состав материала для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы
Состав материала для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы

 


Владельцы патента RU 2505882:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) (RU)

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к составу материала для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы, содержащему связывающее вещество и растворитель, при этом состав дополнительно содержит оксиды лютеция Lu2O3 и неодима Nd2O3 в соотношении между собой 100:20 мас.%

и имеет следующее соотношение: связывающее вещество - 10-70, оксиды лютеция Lu2O3 и неодима Nd2O3 - 80-20, растворитель - остальное. Технический результат изобретения состоит в повышении стабильности работы и увеличении срока службы катодов генераторов низкотемпературной плазмы в присутствии агрессивных добавок, используемых для создания экологически безопасных источников оптического излучения. 3 ил., 5 пр.

 

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы, обеспечивающих эмиссию электронов и устойчивое горение газового разряда.

Из анализа источников патентной и научной литературы известно, что создание новых и совершенствование существующих катодов (эмиттеров электронов) идет главным образом по двум направлениям: 1) совершенствование конструкции катодов и катодных узлов и 2) поиск новых эмитирующих материалов, наносимых на подложки катодов. Основные цели таких разработок - повышение эмиссионной способности катодов, увеличение срока службы, в том числе, за счет устойчивости к работе в агрессивных средах, повышение надежности и стабильности работы, уменьшение прикатодных потерь энергии и удешевление.

Заявляемое е изобретение связано со вторым направлением совершенствования катодов.

Известно, что при работе термоэмиссионных катодов, например в плазматронах или экологически чистых источников света с парами воды [1], важной проблемой является устойчивость материала эмитирующего слоя при контакте с атмосферным воздухом, и, прежде всего, с парами воды. Одной из основных причин уменьшения срока службы эмиттеров электронов (катодов электротехнических устройств) является «отравление» вещества эмиттера так называемыми остаточными газами, присутствующими в рабочей среде устройства. Эти газы изменяют состав и структуру поверхности и, в конечном счете, уменьшают эмиссию катода, делая дальнейшее его использование невозможным. В качестве таких «отравляющих» газов чаще всего выступают атомарный и молекулярный кислород и водород, молекулы гидроксила, молекулы воды (которые являются источником водорода, кислорода и гидроксила), углекислый газ и его производные. В связи с созданием новых устройств, использующих химически активные вещества, такими «отравляющими» газами будут являться вещества, изначально присутствующие в рабочей газовой среде устройства (например, молекулы воды, молекулы гидроксила, галогениды).

Известно, что в последнее время наиболее популярным материалом для создания эмиттеров подобного типа являются соединения BaxScyOz [2-4], которые, как показывают экспериментальные данные, не гидролизуются парами воды при температуре 25°С и относительной влажности 100%.

Известен способ приготовления оксидного катода с добавлением оксида скандия [5]. Однако, катод, изготовленный по описанному в [5] составу и процессу, имеет следующие недостатки: на границе между базовым металлом и слоем окисла для термоэлектронной эмиссии образуется промежуточный слой высокого сопротивления из Ba2SiO4 или подобного состава, в результате чего он прерывает поток электронов. Слой сложного оксида и промежуточный слой являются слоями с низкой электропроводимостью, так что в процессе термоэмиссии электронов выделяется большое количество тепла, и оксид быстро расходуется. Это приводит к сокращению срока службы катода. Для решения упомянутых проблем используют оксид скандия (Sc2O3), что позволяет производить катоды с плотностью электронной эмиссии 2 А/см2 и сроком службы до 30000 ч.

Однако долговечность работы и этих эмиттеров на основе данного соединения недостаточно высокая, что может быть связано с высокой рабочей температурой эмитирующего слоя, определяемой большими значениями работы выхода скандия (до 3.5 эВ). Так, например, даже частичная замена скандия на иттрий, обладающий работой выхода 3.1-3.3 эВ, снижает рабочую температуру катода с 1100°С до 1000°С, с возможностью отбора тока большей плотности (с 2-4 А/см2 до 5 А/см2) [6].

Известно, в месте с тем, что в ряду редкоземельных металлов существуют элементы с величиной работы выхода вплоть до 2.6 эВ (Yb). Так, в [7] в стандартную смесь карбоната щелочноземельных металлов, таких как барий, стронций и кальций, был добавлен Nd с величиной работы выхода 3,2 эВ для металла и до 2,3 эВ для окисла Нd2О3, что позволило существенно увеличить эксплутационные свойства катодов, используемых в люминесцентных лампах.

Известен [8] использование в качестве катодов нанокомпозитов, содержащих лантан.

Известен [9], в котором предлагаются используемые в телевизионных экранах и мониторах компьютеров разрядные трубки, катоды которых содержат запас скандия. Катод покрыт окисью бария и кальция и оксида скандия и, как вариант, промежуточными слоями рения и оксида скандия, с верхним слоем рения. Промежуточные слои в дополнение содержат вольфрам, никель и оксид скандия. Достоинством данных катодов является высокая эмиссионная способность, недостатком - неспособность работы в агрессивных средах.

Известны [10] оксидные катоды, содержащие оксидное покрытие на металлической подложке, представляющее собой окислы щелочноземельных металлов типа ВаО или более усовершенствованный смешанный барий-стронциевый окисел эквимолярного состава Ba0,5Sr0,5O. При хорошей активации оксидный катод обладает эмиссией около 1 А/см2 при температуре 1100 К. Однако такие плотности тока в непрерывном режиме практически не используются, поскольку оксидный катод обладает большим удельным сопротивлением ~(1÷0,3)·103 Ом·см, поэтому перегревается и распыляется В импульсном режиме в этих катодах удается снимать токи до 100 А/см2, однако длительность импульса не должна превышать нескольких микросекунд (~3-10-6 с). Кроме проблем, возникающих при работе в импульсном режиме, данные катоды весьма чувствительны к упомянутым выше агрессивным средам. Другим важным недостатком оксидного катода является склонность к испарению при подаче высокого напряжения (U>1 кВ или напряженность Е>1 кВ·см), что приводит к быстрому разрушению и отравлению катода. Известным недостатком является также некоторый разброс параметров катодов по эмиссии и контрастность по работе выхода, что затрудняет фокусировку электронного пучка.

Известен [11] боридный катод, эмиссионный слой которого выполнен из гексаборида лантана Недостатками этого катода являются деградация поверхности при ее бомбардировке ионами, особенно при высоких (более 50 кВ) анодных напряжениях, растрескивание и разрушение катода из-за низкой термопрочности борида при циклических условиях работы катода, избирательное (неконгруэнтное) испарение легкоплавкой компоненты, приводящее к неконтролируемому ухудшению эмиссионных характеристик катода.

Известен состав [12] для электродов генераторов низкотемпературной плазмы, содержащий оксид редкоземельного металла и обеспечивающий эмиссию электронов и устойчивое горение дуги, который является наиболее близким к заявляемому изобретению. Известный состав материала электродов генераторов низкотемпературной плазмы содержит пористую металлическую матрицу в виде спеченной смеси медного и железного порошков и эмитирующий электроны материал в виде окиси иттрия Y2O3. Медь обеспечивает высокий уровень теплопроводности и электропроводности, железо снижает интенсивность испарения меди в процессе создания плазмы, Y2О3 обеспечивает снижение работы выхода электронов и устойчивость горения дуги.

Недостатком известного состава материала такого типа электродов является их высокая чувствительность к агрессивным материалам, что существенно снижает его эксплуатационные свойства.

Заявленное изобретение свободно от указанных недостатков.

Техническим результатом использования заявленного материала является повышение чувствительности и надежности работы заявляемого изобретения состава материала эмиттера, стойкого к агрессивным средам.

Указанный технический результат достигается тем, что состав материала для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы, содержащий связывающее вещество и растворитель, в соответствии с заявленным изобретением, дополнительно содержит оксиды лютеция Lu2O3 и неодима Nb2O3 в соотношении между собой 100:20 мас.% и имеет следующее соотношение: связывающее вещество - 10-70, оксиды лютеция Lu2O3 и неодима Nd2O3 - 80-20, растворитель - остальное.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве связующего использована нитроцеллюлоза, а в качестве растворителя - любой из класса полярных растворителей, в частности, при апробации был использован ацетон.

Использование заявленного материала для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы поясняется следующим.

Исследование температурных и электрических характеристик работы катодов на основе смеси ряда оксидов редкоземельных металлов - Lu2O3, Nd2O3, Lа2О3, Gd2O3, Dy2О3, Y2O3, Тb2О2, Th2O3, Нo2О3, Yb2О3 - в условиях работы в разряде инертных газов в присутствии агрессивных сред показало, что лучшими эмиттерами электронов по температуре «горячей» точки и напряжению катодного падения являются эмиттеры на основе Lu2O3 и Nd2O3. При этом эмиттеры на основе оксида неодима характеризовались низкой температурой «горячей» точки, но сравнительно высоким значением катодного падения, а эмиттеры на основе оксида лютеция характеризовались более высокой температурой «горячей» точки и меньшим значением катодного падения. Комбинация двух упомянутых оксидов (оксиды лютеция Lu2O3 и неодима Nd2O3), взятых в соотношении, мас.% - 80-20, обеспечивала наилучшие значения температуры «горячей» точки и катодного падения напряжения.

Апробация заявленного изобретения проводилась в Санкт-Петербургском государственном университете, и результаты исследований иллюстрированы Фиг. 1-3.

На Фиг. 1 приведено вторично-эмиссионное изображение участка катода с эмиттером на основе оксида неодима. Из рисунка видно, что наблюдается довольно сильное разрушение оксида из-за недостаточной активации.

На Фиг. 2 приведено вторично-эмиссионное изображение участка катода с эмиттером на основе оксида лютеция. Как видно из изображения, наблюдается лучшая активация поверхности, однако катодное падение напряжения оказывается более высоким.

На Фиг. 3 приведено вторично-эмиссионное изображение участка катода на основе смеси оксидов лютеция и неодима. Отчетливо видно, что наблюдается практически полная активация, стабильное состояние поверхности и сравнительно низкое катодное падение напряжения.

Апробация заявленного изобретения проводилась в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени и испытательных условий.

Результаты апробации, подтверждающие достижение заявленного технического результата (повышение чувствительности и надежности работы эмиттера на основе нового состава материала, стойкого к агрессивным средам), проиллюстрированы ниже конкретными примерами реализации.

Пример 1.

Разряд создавался в атмосфере аргона при давлении 3 Top в присутствии паров воды, ток разряда - 400 мА. Эмитирующее электроны вещество содержало смесь оксида лютеция и оксида неодима в соотношении Lu2O3:Nd2O3 = 10:100. Катодное падение напряжения составляло 29В, температура «горячей» точки - 1700 К.

Пример 2.

Разряд создавался в атмосфере аргона при давлении 3 Top в присутствии паров воды, ток разряда - 400 мА. Эмитирующее электроны вещество содержало смесь оксида лютеция и оксида неодима в соотношении Lu2O3:Nd2O3 = 20:100. Катодное падение напряжения составляло 28В, температура «горячей» точки - 1650 К.

Пример 3.

Разряд создавался в атмосфере аргона при давлении 3 Top в присутствии паров воды, ток разряда - 400 мА. Эмитирующее электроны вещество содержало смесь оксида лютеция и оксида неодима в соотношении Lu2O3:Nd2O3 = 100:14. Катодное падение напряжения составляло 26.5В, температура «горячей» точки - 1600 К.

Пример 4.

Разряд создавался в атмосфере аргона при давлении 3 Top в присутствии паров воды, ток разряда - 400 мА. Эмитирующее электроны вещество содержало смесь оксида лютеция и оксида неодима в соотношении Lu2O3:Nd2O3 = 100:20. Катодное падение напряжения составляло 23В, температура «горячей» точки - 1500 К.

Пример 5.

Разряд создавался в атмосфере аргона при давлении 3 Top в присутствии паров воды, ток разряда - 400 мА. Эмитирующее электроны вещество содержало смесь оксида лютеция и оксида неодима в соотношении Lu2O3:Nd2O3 = 100:30. Катодное падение напряжения составляло 25В, температура «горячей» точки - 1550 К.

Анализ приведенных примеров показывает, что оптимальное соотношение оксидов лютеция и неодима составляет Lu2O3:Nd2O3 = 100:20. При этом наблюдается как наименьшая температура «горячей» точки, что обеспечивает стабильную и долговременную работу катода, так и наименьшее значение катодного падения, что обеспечивает наименьшие энергетические потери в прикатодной области.

Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения состоит в повышении стабильности работы и увеличении срока службы катодов генераторов низкотемпературной плазмы в присутствии агрессивных добавок, используемых для создания экологически безопасных источников оптического излучения. Достижение такого результата позволяет использовать заявленный материал при создании новых и эффективных экологически безопасных источников оптического излучения (источников света), что, как показывают существующие в это области проблемы, позволит найти широкое применение как в промышленном, так и в бытовом освещении.

Список использованной литературы

1. Е. Artamonova et al… Low pressure water vapor discharge as a light source:

1. Spectroscopic characteristics and efficiency, J.Physics D: Appl. Phys. 41 (2008) 155206

2. «Ab initio investigation of barium-scandium-oxygen coatings on tungsten for electron emitting cathodes» Vasilios Vlahos, John H. Booske, and Dane Morgan PHYSICAL REVIEW В 81, 054207 2010

3. «Ba and BaO on W and on Sс2О3 coated W», SHIH A.; YATER J. Е.; HOR C.; Applied surface science ISSN 0169-4332 2005, vol.242, nol-2, pp.35-54

4. «Preparation of impregnated barium scandate cathode and its application» Dingjian Jiang; Sikong Hong; Chenfeng Zhou; Dean Wang; Xueque Liu; Beijing Kedian, Vacuum Electron Sources Conference, 2004. Proceedings. IVESC 2004. The 5th International Date: 6-10 Sept. 2004 Onpage(s):206-207

5. Патент РФ №2060570

6. "Barium-aluminum-scandate dispenser cathode", US Patent 4.007.393 Feb. 8.1977

7. "Emissive electrode materials for electric lamps and methods of making" Patent US 7.786.661 B2 Aug. 31.2010

8. «A novel nanocomposite Мо-4% Lа2O3 cathode» Xingang Wang, Hua Song, Maolin Wang and Bingjun Ding, Materials Letters Volume 59, Issues 14-15, June 2005, Pages 1756-1759

9. Патент DE 19961672

10. Б.Я. Мойжес. Физические процессы в оксидном катоде. М., Наука, 1968 г

11. Патент США №5703924

12. Патент РФ RU 2176833 (Прототип)

Состав материала для изготовления электродов генераторов низкотемпературной плазмы, содержащий связывающее вещество и растворитель, отличающийся тем, что состав дополнительно содержит оксиды лютеция Lu2O3 и неодима Nd2O3 в соотношении между собой 100:20 мас.% и имеет следующее соотношение:

связывающее вещество 10-70
оксиды лютеция Lu2O3, и неодима Nd2O3 80-20
растворитель остальное



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам обработки эмиттирующей поверхности металлопористых катодов электронных приборов СВЧ-типа. .
Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления металлопористых катодов для ЭВП. .

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления металлопористых катодов (МПК) для однолучевых и многолучевых СВЧ-приборов, преимущественно O-типа.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к материалу для изготовления электродов генератора низкотемпературной плазмы. .
Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления металлопористых катодов для вакуумных электронных приборов. .
Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления металлопористых катодов для ЭВП. .

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления металлопористых катодов для электровакуумных приборов. .

Изобретение относится к электронной технике. .

Изобретение относится к электронной технике. .

Изобретение относится к электронной технике, а конкретно к реставрации электровакуумных СВЧ приборов большой мощности. .
Изобретение относится к электронной технике, а именно, к способу изготовления металлопористого катодов для вакуумных электронных приборов. Возможность изготовления крупногабаритных катодов со сложной формой эмитирующей поверхности, а также повышение срока его службы за счет создания ламинарного электронного потока с минимальными пульсациями, является техническим результатом заявленного изобретения. Предложенный катод также обеспечивает минимально допустимое оседание электронов в пролетном канале, отсутствие локального перегрева коллектора и отсутствие возвратных ионов и электронов. Указанный технический результат достигается за счет того, что заявленный способ изготовления металлопористого катода включает изготовление запрессовки вольфрамового порошка при давлении P=8-15 т/см2 в стакан, выполненный точением из молибденового прутка, с внутренней высотой, достаточной для формирования в нем пористой губки, которую пропитывают активным веществом при температуре t=1700-1800°C в среде водорода, после чего удаляют избыток активного вещества, стачивают припуск и формируют эмитирующую поверхность, при этом перед запрессовкой в вольфрамовый порошок вводят примесь нанопорошка аморфного ультрадисперсного оксида кремния SiO2 в количестве 0,01-0,08% от веса вольфрамового порошка, и затем отжигают полученную смесь в среде водорода при температуре t=1600-1800°C в течение 5-30 минут. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам реставрации мощных СВЧ-устройств, и может быть использовано для восстановления эксплуатационных характеристик приборов гиротронного типа. Способ включает обработку катода потоком ионов и контроль изменения эмиссионного тока с катода в процессе ионной обработки. Оснащают гиротрон системами напуска и откачки инертного газа, устанавливают давление ри инертного газа в гиротроне удовлетворяющим неравенству pmin<ри<10-5-10-4 Topр, где pmin - минимальное давление инертного газа, при котором необходимое время ионной обработки катода имеет максимально допустимую величину, подают накал на катод и устанавливают мощность накала Р≤Рс, где Pc - стандартный накал катода, включают анодное напряжение и устанавливают его величину, производят ионную обработку катода при избранном анодном напряжении и включенном магнитном поле. Технический результат - упрощение способа реставрации и расширение области его применения. 5 ил.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано при изготовлении электронных пушек с термокатодами для приборов СВЧ. Cпособ определения величины продольного смещения термокатода (Δк), вызванного его нагревом, в приборе СВЧ, включает измерения тока пушки Iизм. при нулевом и при одном или нескольких отрицательных относительно катода значений напряжения на фокусирующем электроде (ФЭ), причем Δк определяют из сравнения Iизм. со значениями тока пушки и , рассчитанными для двух разных продольных смещений катода Δк1 и Δк2 при том же значении напряжения на ФЭ, при котором был измерен ток пушки Iизм. по формуле: Другой вариант способа включает в себя измерения тока I0 изм. пушки при нулевом относительно катода напряжении U0 на фокусирующем электроде (ФЭ) и тока пушки I1 изм. при отрицательном напряжении U1 на ФЭ и сравнение относительной разности ΔI/I0изм. измеренных значений тока с относительными разностями , рассчитанных значений тока, где ΔI/I0изм.=(I0изм.-I1изм.)/I0изм., и - относительные разности значений тока пушки, рассчитанных для двух разных смещений Δк1 и Δк2, и при тех же значениях U0, U1 на ФЭ, а Δк на основе сравнения определяется по формуле: Технический результат - упрощение технологии определения величины Δк при обеспечении высокой точности этого определения, что позволяет изготовить пушку и магнитную фокусирующую систему с малыми пульсациями пучка в пролетном канале прибора СВЧ, и тем самым предотвратить выход прибора СВЧ из строя. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в электровакуумных приборах, в частности в магнетронах непрерывного или импульсного действия, работающих в широком диапазоне длин волн. Технический результат - повышение стабильности и воспроизводимости электрических параметров магнетрона за счет использования в нем прессованного оксидно-никелевого катода, обладающего высокой равномерностью плотности тока эмиссии и устойчивостью к деградирующему воздействию ионной и электронной бомбардировок. В магнетроне, содержащем анод и концентрически размещенный внутри него оксидно-никелевый катод, изготовленный путем совместного прессования смеси порошков никеля и эмиссионно-активного вещества, спекания прессовки в среде осушенного водорода при температуре 1000÷1200°С в течение 15-30 мин, в качестве эмиссионно-активного вещества используются агломераты никеля со слоем тройного карбоната, представляющие собой частицы никелевого порошка, равномерно покрытые слоем тройного карбоната бария-кальция-стронция толщиной до 20 мкм. Составляющие исходную рабочую смесь для прессования катода порошки никеля и указанных агломератов никеля со слоем тройного карбоната имеют одинаковый гранулометрический состав. Эмиссионные, тепловые и механические свойства катода могут управляться варьированием зернового состава формообразующего металла и эмиссионно-активного вещества, а также регулированием концентрации этих компонентов в рабочей смеси. Существенно снижена трудоемкость изготовления катода, исключены операции, связанные с применением токсичных, химически активных и взрывоопасных соединений. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способам изготовления металлопористых катодов для вакуумных электронных приборов. Технический результат - повышение равномерности распределения плотности токоотдачи и долговечности катодов. Способ изготовления металлопористого катода включает запрессовку вольфрамового порошка при давлении 8-15 т/см2 в корпус, представляющий из себя выполненный точением из молибденового прутка стакан, при этом в корпусе последовательно, тремя прессованиями, формируют губку, состоящую из трех слоев, при этом первый, внутренний слой губки катода формируют из смеси 70-90 вес.% порошка вольфрама и 10-30 вес.% активного вещества, затем из порошка ниобия, тантала или гафния формируют второй промежуточный слой, после чего из порошка вольфрама или молибдена, либо их смеси, с добавлением в качестве присадки 0,5-3 вес.% порошка ниобия, тантала или гафния формируют третий внешний слой губки катода, образующий эмиттирующую поверхность. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.
Наверх