Способ изготовления эмиттера электронов вакуумного или газонаполненного диода

Изобретение относится к технологии изготовления эмиттеров электронов с пониженной работой выхода, может использоваться в диоде для выпрямителей переменного тока в постоянный при высоких температурах окружающей среды. Технический результат - упрощение изготовления эмиттера с сохранением основных выходных параметров устройства больших плотностей электронного тока. Способ предусматривает изготовление эмиттера электронов из тугоплавкого материала с добавками цезия или бария, в качестве материала эмиттера используют монокристаллические W или Мо или Nb или Та, а барий или цезий имплантируют в материал эмиттера путем бомбардировки пучком ионов, ускоренных до энергии 30-60 кэВ до достижения доз имплантации 1016 ион/см2. Дополнительно осуществляют сканирование ионного пучка по поверхности эмиттера в горизонтальном и вертикальном направлениях. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии изготовления эмиттеров электронов с пониженной работой выхода, относящихся к устройствам высокотемпературной энергетики и предназначенных для термоэмиссионных элементов электровакуумных или газонаполненных приборов. Предлагаемый эмиттер электронов (катод) может использоваться в диоде для выпрямителей переменного тока в постоянный при высоких температурах окружающей среды, порядка 1000К, например, для питания электромагнитных насосов жидкометаллических контуров космических ядерных реакторов.

Известны работы:

Евстигнеев С.И., Ткаченко А.А.. Катоды и подогреватели электровакуумных приборов. - 2-е издание, переработанное и доп., - Москва. Высшая школа,. 1975. 196 с.

Ашкинази Л.А., Петров В С. Материалы электронных эмиттеров. Часть П.: Учебное пособие. Московского государственного института электроники и математики. М., 1997. 68 с.

Куницкий Ю.А. Электродные материалы для прямых преобразователей энергии. Киев, Вища школа. 1985. 187 с.

В этих работах описаны эмиттеры электронов диодов различных назначений и конструкций. Существующие эмиттеры (оксидные, импрегнированные, гексаборидные, нитрид-циркониевые, на основе окислов редкоземельных элементов и т.д.) обладают эмиссионной способностью 0,5-1,5 А/см2 при температурах 1000-1400 К в стационарных условиях и до 10 А/см2 в импульсном режиме с большой скважностью. Потребность в эмиттерах, обладающих эмиссионной способностью, на порядок большей в стационарных условиях, актуальна - это сильнотоковая электроника и системы прямого преобразования энергии.

Существуют эмиттеры на основе интеркалированного атомами Cs или Ва ориентированного пиролитического графита. Они предназначены для использования в приборах электронной техники и физических устройствах.

Макаров А.Н., Лям А.Л., Баранов Г.Д. Эмиттер на основе цезированного графита, Журн. техн. физики, 1977, Т.47, Вып.12, с.2522-2525.

Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп., М: Энергоатомиздат,. 1993 г.- с.230.

А.Г. Каландаришвили. Патент на полезную модель «Плазменный диод» №107398 от 19 мая 2011 г.

В вышеприведенных работах дается описание диодов с электродами из цезированного и барированного пирографита, помещенные в вакуумный объем и имеющие источники паров Cs или Ва. В работе Макарова А.Н. и др. дается описание эмиттера, изготовленного в виде шайбы из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита. Графит интеркалирован атомами цезия. Коллектор выполнен из металла. Резервуар с источником пара цезия в виде жидкого конденсата цезия соединен с межэлектродным зазором. Поверхность эмиттера из ориентированного пиролитического графита, интеркалированная цезием до соединений от C36Cs до C8Cs, обладает высокой эмиссионной способностью при температуре 900-1100 К, когда на электроды диода приложено напряжение до 10 вольт.

Наиболее близким прототипом является патент на полезную модель №107398 "Плазменный диод" от 19 мая 2011 г. А.Г. Каландаришвили. Диод выполнен в виде расположенного в вакуумированном корпусе коллектора из ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна графитовым слоям и интеркалирована атомами цезия до соединения C8Cs, эмиттера в виде шайбы из тугоплавкого материала - ориентированного пиролитического графита, С-ось которого перпендикулярна углеродным слоям графита и интеркалирована атомами бария до соединения С6Ва, резервуара с источником пара цезия соединенного с межэлектродным зазором.

Недостатком прототипа является сложность проведения процесса интеркалирования графита барием. При высоких плотностях снимаемого тока с эмиттера происходит его разогрев вследствие имеющейся в таком эмиттере эмиссии автоэлектронного типа. Это может привести к неконтролируемому разрушению эмитирующей поверхности во времени. Также недостатком является наличие резервуаров с металлическим барием и жидким конденсатом цезия, требующих нагрева их за счет внешних источников тепла.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является существенное упрощение изготовления эмиттера термоэмиссионного типа с сохранением основных выходных параметров устройства - больших плотностей электронного тока.

Для достижения указанного результата предложен способ изготовления эмиттера электронов из тугоплавкого материала с добавками цезия или бария, при этом в качестве материала эмиттера используют монокристаллические W или Мо или Nb или Та, а барий или цезий имплантируют в материал эмиттера путем бомбардировки пучком ионов, ускоренных до энергии 30-60 кэВ до достижения доз имплантации 1016 ион/см2.

При этом осуществляют сканирование ионного пучка по поверхности эмиттера в горизонтальном и вертикальном направлениях.

На чертеже даны температурные зависимости вакуумной работы выхода эмиттера Мо(110)+Cs+-1 и Мо(110)+Ва+ - 2, 3 при разных дозах имплантации, ион/см2, 2 - 1013; 3 - 1016.

Предложен способ изготовления эмиттера электронов из тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден, ниобий, тантал с легирующими добавками, заключающийся в том, что рабочая эмиссионная поверхность эмиттера имплантируется ионами бария или цезия. Легирование проводится в ионных ускорителях типа "ИЛУ", "Везувий", позволяющих проводить большедозовую имплантацию. Имплантация поверхности эмиттера ионами щелочных и щелочноземельных металлов позволяет получать при температурах нагрева эмиттера 1400-1500 К плотности тока эмиссии 3-10 А/см2. Высокотемпературные материалы эмиттера обладает высокой электропроводностью, стабильной работой выхода электрона и высокой теплопроводностью.

Приведем описание последовательности изготовления эмиттера на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Та), обладающих большими вакуумными работами выхода для плотноупакованной кристаллографической грани (110). Вольфрам - 5,25 эВ; молибден - 4,95 эВ; тантал - 4,85 эВ; ниобий - 4,66 эВ.

Для примера возьмем Мо(110). Методом электроэрозионной резки из прутка монокристаллического молибдена изготовляется эмиттер толщиной 1,5 - 2 мм с выходом на рабочую поверхность грани (110). Выбор монокристаллического материала обусловлен его исходной чистотой по примесям по сравнению с поликристаллическими металлами.

Для подготовки рабочей поверхности проводится электротравление с последующей электрополировкой. На установке ионного легирования поверхность образца вначале подвергается очистке ионами аргона Ar+ в течение 5-10 минут при энергии пучка 20 кэВ и током 10 мкА/см2.

Далее проводится имплантация в рабочую поверхность ионов бария. Вакуум в процессе имплантации в районе мишени 2·10-3 Па. Имплантация ионов Ва, ускоренных до энергии 30-60-кэВ, осуществляется при комнатной температуре до достижения доз имплантации 1014-1016 ион/см2. С целью равномерного облучения осуществляется сканирование ионного пучка по поверхности мишени в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Аналогично проводится имплантация ионами цезия, также интенсивно снижающими работу выхода поверхности эмиттера.

Результат процесса имплантации контролируется на Оже - анализаторе путем снятия профилей распределения концентрации бария в приповерхностном слое эмиттера.

Выбор энергии ионов и доз облучения обусловлен следующим. Увеличение дозы более 1016 ион/см2 не вызывает дальнейшего значительного наращивания количества внедренных ионов вследствие установления равновесия между количеством внедренных атомов и распыленных. Уменьшение дозы менее 1014 ион/см2 не позволяет достигнуть максимально возможное снижение работы выхода. Снижение энергии ионов менее 30 кэВ не позволяло получать стабильные эмиссионные свойства коллектора из-за малой глубины внедренных ионов.

После имплантации Мо(110) с начальной величиной работы выхода еφ=4,95 эВ ионами бария при указанных выше энергиях и дозах, минимальное значение работы выхода снижается до величины работы выхода, равной 2,2 эВ. При имплантации цезия минимальное значение работы выхода еφ=3,0 эВ.

В таблице показано влияние дозы имплантации бария на минимальное значение работы выхода Мо(110).

Доза имплантации Ва, ион/см2 1013 1016
Работа выхода, еφмин, эВ 2,6 2,2

Далее легированный эмиттер и коллектор из того же тугоплавкого металла с токовыводами помещаются в вакуумированый корпус. Межэлектродное расстояние вакуумного диода 0,5-1 мм. Нагрев эмиттера до 1400-1500 К осуществляется или внешним источником тепла, например с помощью тепловой трубы или прямым пропусканием постоянного тока через эмиттер. При приложенном напряжении 5-10 В в прямом направлении диод пропускает ток до 10 А/см2. При обратном напряжении плотность тока на много порядков меньше.

1. Способ изготовления эмиттера электронов из тугоплавкого материала с добавками цезия или бария, отличающийся тем, что в качестве материала эмиттера используют монокристаллические W или Мо или Nb или Та, а барий или цезий имплантируют в материал эмиттера путем бомбардировки пучком ионов, ускоренных до энергии 30-60 кэВ до достижения доз имплантации 1016 ион/см2.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют сканирование ионного пучка по поверхности эмиттера в горизонтальном и вертикальном направлениях.



 

Похожие патенты:

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.

Изобретение относится к области электроники. Технологический прибор для обработки полого холодного катода в газовом разряде, содержащий полый холодный катод, анод, расположенный коаксиально внутри катода и равноудаленный от его поверхности, стеклянную вакуумно-плотную оболочку, в котором анод выполнен составным, рабочая часть анода, контактирующая с газовым разрядом, соединена с его внешней частью, электрически контактирующей с внешним источником напряжения или тока, посредством разъемного соединения, выполнена из того же материала, что и рабочая поверхность катода, обработана с не меньшим классом чистоты, чем у катода, со стороны входа в катод частично экранирована диэлектриком, расположенным коаксиально снаружи анода.

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.

Способ изготовления МДМ-катода предназначен для повышения плотности тока эмиссии и однородности ее распределения по поверхности. На подложку последовательно осаждается металлический нижний электрод на основе пленки молибдена, затем два слоя резистов, в которых формируется рисунок с помощью электронно-лучевой литографии, затем напыляется сплошная пленка молибдена.

Изобретение относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к источникам для получения электронного потока - автоэмиттерам (холодным эмиттерам) электронов, материалам и способам их изготовления.

Изобретение относится к технологии изготовления электронных приборов, в частности к технологии изготовления углеродных многоострийных автоэмиссионных катодов, используемых в вакуумных электронных приборах с эффективными холодными источниками электронов.
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 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 и может быть использовано при изготовлении приборов вакуумной микроэлектроники. .

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.

Изобретение относится к области электронной техники. Способ изготовления МДМ-катода заключается в нанесении на подложку нижнего электрода, диэлектрика, верхнего электрода и формовку структуры.

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.

Изобретение относится к устройствам вакуумной электроники, в частности к источникам для получения электронного потока - автоэмиттерам (холодным эмиттерам) электронов, материалам и способам их изготовления.

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.
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 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 многоострийных углеродных структур.

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 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 порошковой металлургии, в частности к технологии получения композиционных катодов для ионно-плазменного напыления многокомпонентных наноструктурных покрытий. Способ изготовления композиционного катода для нанесения многокомпонентных ионно-плазменных покрытий включает приготовление порошковой смеси на основе алюминия, прессование из нее заготовки катода, последующий ее нагрев и уплотнение. Сначала при комнатной температуре порошковую смесь прессуют до достижения технологической прочности катодной заготовки, далее заготовку катода помещают в пресс-форму большего поперечного сечения, обеспечивающую при последующем доуплотнении пластическую деформацию заготовки катода от 10 до 60%, и нагревают в печи на воздухе до температур, не превышающих температуру начала фазовых превращений для приготовленного состава порошковой смеси на основе алюминия. Затем проводят дополнительное одноосное прессование заготовки катода. Композиционные катоды не требуют дополнительной механической обработки. 14 з.п. ф-лы, 2 ил., 11 пр.

Изобретение относится к технологии изготовления эмиттеров электронов с пониженной работой выхода, может использоваться в диоде для выпрямителей переменного тока в постоянный при высоких температурах окружающей среды. Технический результат - упрощение изготовления эмиттера с сохранением основных выходных параметров устройства больших плотностей электронного тока. Способ предусматривает изготовление эмиттера электронов из тугоплавкого материала с добавками цезия или бария, в качестве материала эмиттера используют монокристаллические W или Мо или Nb или Та, а барий или цезий имплантируют в материал эмиттера путем бомбардировки пучком ионов, ускоренных до энергии 30-60 кэВ до достижения доз имплантации 1016 ионсм2. Дополнительно осуществляют сканирование ионного пучка по поверхности эмиттера в горизонтальном и вертикальном направлениях. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Наверх