Способ изготовления самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для систем генерации плазмы



Способ изготовления самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для систем генерации плазмы
Способ изготовления самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для систем генерации плазмы
Способ изготовления самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для систем генерации плазмы
Способ изготовления самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для систем генерации плазмы

 

H05H1/24 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2619591:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) (RU)

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в газоразрядных устройствах с самонакаливаемым полым катодом. Способ изготовления самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для систем генерации плазмы включает формирование трубчатого изделия из смеси порошков, содержащей нитрид титана, 10 вес.% титана, не более 2 вес.% пластификатора поливинилбутираля, импульсным или статическим прессованием, экструзией, шликерным литьем или альтернативным способом, отжиг трубчатого изделия в вакуумной печи в потоке азота при давлении 1 Па при температуре 500°С в течение 1 ч для термического разложения пластификатора и удаления продуктов разложения из объема трубчатого изделия, установку трубчатого изделия в качестве катодного электрода в электроразрядную систему, содержащую анодный электрод, постоянную прокачку азота через трубчатое изделие, приложение между анодом и трубчатым изделием напряжения и зажигание тлеющего разряда между трубчатым изделием и анодом, ток которого постепенно увеличивают по мере прекращения дугообразования, что обеспечивает удаление поверхностных загрязнений и рост температуры трубчатого изделия, переход разряда в термоэмиссионный дуговой режим и нагрев катода до температуры 2000°С. Выдержка сформованного трубчатого изделия в плазме собственного разряда в качестве катодного электрода при работе в термоэмиссионном дуговом режиме обеспечивает его твердофазное спекание и формирование самонакаливаемого полого катода из нитрида титана с высокой плотностью, термоэмиссионными свойствами и повышенным ресурсом. 3 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в газоразрядных устройствах с самонакаливаемым полым катодом. Устройства такого типа обеспечивают устойчивое горение разряда с током 1-1000 А при давлениях газа до 100 Па и напряжениях до 200 В [1] за счет эффективной термоэлектронной эмиссии с поверхности катода.

В качестве материалов самонакаливаемых полых катодов используются металлы с высокой температурой плавления (ниобий, тантал, вольфрам, молибден и др.). Недостаток катодов из высокотемпературных металлов заключается в высокой стоимости и скорости эрозии, вызванной ионным распылением и образованием на поверхности катодов соединений с низкой температурой плавления при работе в среде химически активных газов.

Прототипом изобретения является способ формирования самонакаливаемого полого катода из нитрида титана, в котором через холодный полый катод, изготовленный из титана, пропускают поток азота, зажигают тлеющий разряд между полым катодом и анодом и сочетанием тока и напряжения горения разряда задают температуру полого катода, близкую, но меньшую температуры его плавления (~1600°С) [2]. В результате диффузионного насыщения титана азотом на поверхности катода формируется слой нитрида титана, обладающего высокой температурой плавления (2950°С) и низкой работой выхода электронов (2,92-3,75 эВ) [3]. Для использования катода при повышенных температурах (свыше 1600°С), обеспечивающих реализацию сильноточного низковольтного режима горения разряда, требуется тренировка, в процессе которой происходит увеличение толщины приповерхностного слоя нитрида титана. Время, необходимое для тренировки катода, подготовленного по способу [2], зависит от рабочей температуры катода и коэффициента диффузии азота и должно быть достаточным для формирования нитридного слоя, толщина которого обеспечивала бы требуемый перепад температур и предотвращала разогрев внутреннего слоя титана выше температуры плавления. Поскольку величина коэффициента диффузии азота резко снижается в условиях диффузии через приповерхностный слой нитрида титана [4], время тренировки самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для работы при повышенных токах разряда (свыше 10 А) существенно возрастает и составляет несколько десятков часов. Необходимость проводить длительную тренировку самонакаливаемого полого катода, подготовленного по способу [2], ограничивает возможность повышения ресурса катода за счет увеличения толщины его стенки.

Технической задачей изобретения является изготовление самонакаливаемого полого катода из нитрида титана, отличающегося повышенным ресурсом работы и гомогенностью состава, для достижения которых не требуется длительной тренировки. Для решения задачи предлагается формировать полый катод с толщиной стенки более 2 мм методами порошковой металлургии: импульсным или статическим прессованием, экструзией, шликерным литьем и др. [5]; и провести обработку сформованного из порошка полого катода в плазме разряда, обеспечивающей его разогрев, очистку внутренней поверхности в результате ионной бомбардировки и твердофазное спекание.

Задача решается следующим образом. Готовят порошковую смесь, содержащую нитрид титана и пластичные добавки: титан (не более 10 вес. %) дисперсностью не более 10 мкм и органический наполнитель, массовая доля которого в смеси не превышает 2 вес. %, гомогенизируют и формуют в виде трубки с внутренним диаметром 5-10 мм, внешним диаметром 13-18 мм и длиной до 100 мм, например, методом холодного магнитно-импульсного прессования [6]. Пластичные компоненты включают в состав порошковой смеси в минимально возможном количестве, при котором обеспечивается сохранение формы трубчатого изделия непосредственно после прессования. Затем проводят нагрев трубки в вакууме (~1 Па) в потоке инертного газа или азота, с кратковременной (1 ч) выдержкой при температуре, обеспечивающей разложение органического пластификатора (более 100°С). Затем трубку помещают в газоразрядную систему, где она выполняет роль полого катода, создают постоянный поток рабочего газа - аргона, азота или их смеси через полый катод, прикладывают напряжение к разрядному промежутку и зажигают тлеющий разряд между холодным полым катодом и анодом, ток которого повышают по мере прекращения дугообразования, что обеспечивает удаление поверхностных загрязнений, разогрев катода до температуры ~2000°С и переход катода в режим термоэлектронной эмиссии. Выдержка катода в плазме собственного разряда при высокой температуре обеспечивает спекание порошка нитрида титана и формирование полого катода с высокими механическими и термоэмиссионными свойствами и повышенным ресурсом.

Отличие предложенного способа от его прототипа [2] заключается в том, что самонакаливаемый полый катод из нитрида титана изготавливается из порошкового материала в виде трубки, спекание которой осуществляется в плазме разряда, не требует длительной тренировки для синтеза фаз с высокой температурой плавления, обеспечивает гомогенность состава по всей толщине стенки, позволяет увеличить толщину стенки и повысить ресурс катода.

В экспериментах по реализации способа использовали порошковую смесь из нитрида титана (ТУ 6-09-112-75), 10 вес. % титана (ТУ 14-22-57-92) и 2-3 вес. % поливинилбутираля (ПВБ) в качестве полимерной связки. Смесь гомогенизировали в малоскоростном смесителе с использованием изопропилового спирта в качестве растворителя и стальных шаров. Высушенный и просеянный порошок (ячейка сита 40 мкм) засыпали в пресс-форму (поз. 2-5 на фиг. 1), состоящую из внешней медной трубы 2 и соосно расположенного внутри трубы стержня 4, изготовленного из конструкционной стали марок Х12МФ, Р6М5 или заменителей и имеющего конусность около 0,3-0,5°. Порошок 3 укладывали в зазор между внешней трубой и формообразующим стержнем засыпкой на вибростенде. Пресс-форму с порошком герметизировали торцевыми заглушками 5 с уплотнителями. Перед прессованием объем пресс-формы дегазировали до остаточного давления около 5 Па. Использовали стержень со средним диаметром около 11 мм и медную трубу с внутренним диаметром 19,5 мм с толщиной стенки трубы 1 мм. На поверхность стержня наносили антиадгезионное покрытие на основе графита, а на внутреннюю поверхность медной трубы наносили покрытие на основе воска (или парафина). Прессование порошковой засыпки производили магнитно-импульсным способом путем радиального сжатия медной трубы под действием давления импульсного магнитного поля соленоида, пропорционального квадрату магнитной индукции [6]. Пресс-форму размещали в канале однослойной спиральной катушки - индуктора (поз.1 на фиг. 1), подключенного к генератору импульсных токов на основе емкостного накопителя энергии. При включении емкостного накопителя на индуктор в цепи протекает осциллирующий ток в виде затухающей синусоиды. В экспериментах длительность полупериода колебаний тока (магнитного поля) составляла 100-120 мкс, амплитуда тока - 130-150 кА, амплитуда магнитного поля - 23-27 Тл. Величине индукции магнитного поля около 25 Тл соответствует давление магнитного поля 0,25 ГПа. При этом давление прессования за счет инерционных эффектов, присущих динамическим методам, составляло 0,6-0,8 ГПа. После прессования трубчатые заготовки катода извлекали механическим способом. Трубчатые заготовки катода имели длину 70-80 мм, внешний диаметр около 16 мм, толщину стенки около 2,5 мм и относительную плотность 0,55-0,60.

Перед установкой в газоразрядную систему трубчатую заготовку катода помещали в вакуумную печь, откачивали до давления (~1 Па), нагревали со скоростью 10 град/мин до температуры 500°С, обеспечивающей разложение полимерной связки и испарения летучих продуктов разложения, выдерживали в течение 1 ч в атмосфере азота и охлаждали до комнатной температуры. Для реализации способа использовали газоразрядную систему (фиг. 2), которая состояла из трубчатой заготовки катода с внутренним, внешним диаметром и высотой: 11, 16 и 70 мм, соответственно, выполнявшей роль полого катода 6; полого анода 7 диаметром 80 мм и высотой 100 мм и сетки 8 с размером ячеек 1,2×1,2 мм, установленной на торце полого анода. Полый катод размещали внутри корпуса 9, охлаждаемого потоком воды. В газоразрядную систему через полый катод напускали газ (аргон), величина потока которого составляла 30-60 мл/мин. Между катодом и анодом прикладывали напряжение и зажигали импульсно-периодический тлеющий разряд (длительность импульсов 10 мкс, частота 50 кГц). Амплитуду тока разряда повышали до 4 А по мере прекращения дугообразования, что приводило к разогреву полого катода до температуры около 2000°С и переходу катода в режим термоэлектронной эмиссии, сопровождающийся снижением напряжения горения разряда до значений менее 100 В. Выдержка самонакаливаемого полого катода в плазме собственного разряда при постоянном токе разряда 30 А, напряжении горения 40 В в течение 1 ч обеспечивает спекание порошка нитрида титана и формирование полого катода из нитрида титана с высокой плотностью (~5 г/см2). Самонакаливаемый полый катод, подготовленный по предложенному способу, обладает высокой механической прочностью, обеспечивает стабильную работу газоразрядной системы в непрерывном режиме с током разряда до 30 А и импульсно-периодическом режиме с амплитудой тока до 100 А, частоте генерации импульсов до 1 кГц и длительностью импульсов до 1000 мкс. На фиг. 3 показаны осциллограммы тока и напряжения горения разряда в газоразрядной системе с самонакаливаемым полым катодом, подготовленным по предложенному способу, масштаб осциллограмм: 50 мкс/дел, 10 - ток разряда 50 А/дел, 11 - напряжение горения разряда - 100 В/дел. Проведенные оценки показали, что скорость эрозии катода при работе с током разряда 30 А, потоках рабочих газов аргона и азота 30 мл/мин каждого составила ~2×10-7 г/Кл. Расчетная величина ресурса катода при толщине стенки 2,5 мм составляет не менее 1500 ч. При работе в импульсно-периодическом режиме с амплитудой тока 100 А длительностью 200 мкс и частотой 200 Гц оценочная скорость эрозии составила 2,5×10-6 г/Кл, что обеспечивает ресурс катода не менее 300 ч. По сравнению с прототипом [2] ресурс катода, изготовленного по предложенному способу, увеличивается на порядок величины.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение:

1. Delcroix, J.L. and Trindade, A.R., Adv. Electron. Electron Phys., 1974, vol. 37, p. 87.

2. H.B. Гаврилов, А.И. Меньшаков. Патент РФ №2513119. Заявл. 20.06.2012. Опубл. 27.12.2013. - Бюл. №36. Способ формирования самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для системы генерации азотной плазмы.

3. G.V. Samsonov, Nitrides, Kiev, Naukova Dumka, 1969.

4. A. Gicouel, N. Laidani, P. Saillard, J. Amouroux. Pure&Appl. Chem., Vol. 62, No. 9, pp. 1743-1750, 1990.

5. Осокин E.H. Процессы порошковой металлургии. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : курс лекций / Е.Н. Осокин, О.А. Артемьева. - Электрон, дан. (5 Мб). - Красноярск : ИПК СФУ, 2008. - 1 электрон, опт. диск (DVD).

6. Миронов В.А. Магнитно-импульсное прессование порошков / В.А. Миронов. - Рига: Зинатне, 1980. - 196 с.

Способ изготовления самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для систем генерации плазмы, включающий установку полого катода в разрядную систему, содержащую анодный электрод, постоянную прокачку через полый катод азота, приложение между анодом и полым катодом напряжения и зажигание между ними тлеющего разряда, нагрев полого катода и его переход в режим термоэмиссии с последующим увеличением тока, отличающийся тем, что полый катод формируют в виде трубчатого изделия из смеси порошков, содержащей нитрид титана, до 10 вес.% титана, не более 2 вес.% поливинилбутираля в качестве полимерной связки, импульсным или статическим прессованием, экструзией, шликерным литьем или альтернативным способом, отжигают трубчатое изделие в вакуумной печи в потоке азота при давлении 1 Па и температуре 500°C в течение 1 ч для термического разложения полимерной связки и удаления продуктов разложения из объема трубчатого изделия и спекают трубчатое изделие в газовом разряде, где трубчатое изделие используется в качестве полого катода, ток разряда постепенно увеличивают по мере прекращения дугообразования, что обеспечивает удаление поверхностных загрязнений и рост температуры трубчатого изделия до 2000°C, обеспечивающей формирование полого катода из нитрида титана с высокими механическими и термоэмиссионными свойствами и повышенным ресурсом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу и устройству для низкотемпературного упрочнения оптического контакта диэлектрических поверхностей газоразрядных приборов, в частности резонаторов моноблочных газовых лазеров, в процессе их технологической сборки.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к источникам получения и управления потоком плазмы атмосферного давления. Источник образован цилиндрической трубкой из диэлектрического материала, с входной частью - трактом для поступления газа и выходной частью - соплом для вывода плазмы.

Изобретение относится к области плазменной техники. Система (1) водяного охлаждения для плазменной пушки (2), способ охлаждения плазменной пушки (2) и способ увеличения срока службы плазменной пушки (2).

Изобретение относится к плазменным технологиям, в частности к способам измерения поглощенной мощности в СВЧ-разрядах. При реализации предложенного способа измерения мощности, поглощаемой единицей объема СВЧ-разряда, получают СВЧ-разряд в водородсодержащем газе, фотографируют плазму СВЧ-разряда через светофильтр, выделяющий линию серии Бальмера, по интенсивности оптического излучения определяют границу плазмы разряда, вычисляют занимаемый плазмой объем, а также поглощаемую плазмой полную мощность.

Изобретение относится к электрореактивным двигателям прямоточного типа (ПЭРД), в которых в качестве рабочего вещества используется газообразная окружающая среда. ПЭРД предназначен для управления движением низкоорбитального космического аппарата.

Изобретение относится к области плазменной техники. Предложен электродуговой плазмотрон.

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и плазме. Между электродами при фиксированном расстоянии между ними подается напряжение, возникающий ток плавит и испаряет тонкую проволочку, которая размещается между электродами, расстояние от катода до анода выбирается таким, при котором разряд без проволочки самопроизвольно не возникает, а между электродами создаются условия для лавинного пробоя разрядного промежутка, возникающего при наличии в воздухе паров испаряющейся проволочки.

Изобретение относится к устройству для осуществления процесса плазменного химического осаждения из паровой фазы. Цилиндрический резонатор устройства плазменного химического осаждения стекломатериала из паровой фазы на внутреннюю поверхность подложки в виде трубки содержит наружную цилиндрическую стенку, выполненную с резонансной полостью, проходящей в периферийном направлении вокруг оси цилиндра, боковую стенку с частями, ограничивающими резонансную полость в направлении оси цилиндра, и щелевую структуру, расположенную в периферийном направлении вокруг оси цилиндра с обеспечением доступа микроволновой энергии из резонансной полости радиально внутрь упомянутой трубки.

Изобретение относится к области средств получения высоких динамических давлений и температур и может быть использовано для проведения химических реакций, изменения кристаллической структуры твердых тел при высоком давлении и температуре, в частности для получения искусственных алмазов (алмазного порошка), для сжатия DT-льда с целью получения нейтронного источника, для осуществления инерциального термоядерного синтеза.

Изобретение относится к области плазменной техники. Предложен электрод для использования в горелке для сварки плазменной дугой.

Изобретение относится к электровакуумной технике, к технологии изготовления фотоэлектронных приборов (ФЭП), содержащих одну или несколько микроканальных пластин (МКП).

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к ионным системам, и может быть использовано в области ракетно-космической техники, при разработке, изготовлении и сборке ионно-оптической системы (ИОС) ионных двигателей (ИД).

Изобретение относится к электронной промышленности, области тонкопленочных технологий, нанесения и контроля пленочных покрытий с заданными характеристиками для эмиссионной электроники.

Изобретение относится к технологии получения материалов, поверхность которых обладает стабильными электрофизическими свойствами, в частности электродов газоразрядных и электровакуумных приборов (холодных катодов газоразрядных лазеров, контакт-деталей герконов, электродов масс-спектрометров и др.).

Изобретение относится к области рентгеновской техники. Анод (30) формируют, используя углерод, такой как армированный углеродом углеродный композит или иную керамическую подложку (50).

Изобретение относится к приборам вакуумной и твердотельной электроники, в частности к автоэмиссионным элементам на основе углеродных нанотрубок (УНТ), используемых в качестве катодов: к диодам, к триодам и к устройствам на их основе.

Изобретение относится к области электронной техники. Способ изготовления эмиссионно-активного сплава катода для электровакуумных приборов СВЧ включает приготовление исходных компонентов сплава заданного соотношения на основе, по меньшей мере, двух компонентов, при этом одного из них - тугоплавкого металла, другого - щелочноземельного металла, соединение исходных компонентов сплава катода в инертной газовой среде посредством высокотемпературного плавления и последующей кристаллизации с обеспечением формирования заготовки сплава катода, при этом, по меньшей мере, двукратного повторения упомянутой технологической операции, обработку заготовки сплава катода с обеспечением ее заданного размера и формы.

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.

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.

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано для выделения пучков электронов из плазмы рабочей среды, создания электрических генераторов на основе энергии электронных пучков, электрореактивных двигателей, электронно-лучевых и ионно-лучевых приборов. Усилитель-концентратор пучка электронов (УКЭ) содержит корпус (1) с внутренней осевой суживающейся полостью, имеющей форму усеченного конуса, на поверхность которой нанесена кремниевая решетка (2) с верхним алмазным слоем (3). В большем отверстии осевой полости установлена многослойная электронная мембрана, основой которой является динамически устойчивая высокотемпературная вольфрамовая пластина (4), имеющая сложную форму: внешняя высокотемпературная поверхность выполнена плоской, а внутренняя низкотемпературная поверхность имеет вогнутую полусферическую форму для фокусирования электронов в пучок. Пластина (4) изготовлена из сплава с пористостью до 85% и диаметром пор 10-3-10-4 мкм. На внешнюю высокотемпературную поверхность вольфрамовой пластины (4) нанесен слой из нанокомпозитного графена (5) с нанопорами (11), а на внутреннюю низкотемпературную - слой из оксида алюминия (7) с нанопорами (8). Корпус снабжен аксиальными анодами (12), (13), установленными со стороны входного и выходного отверстий и служащими для подачи ускоряющих потенциалов, обеспечивающих, соответственно, электрический вывод электронов из потока плазмы и управление энергией электронов и их концентрацией в пучке, входящем в УКЭ, и управление концентрацией, силой тока и энергией электронов пучка, выходящего из УКЭ. Технический результат - обеспечение температурной и динамической устойчивости, повышение эффективности и КПД преобразования энергии потока плазмы в электрическую мощность. 1 ил.
Наверх