Торцевой металлопористый катод

Предложен торцевой металлопористый катод в виде керна из тугоплавкого металла, содержащий пористую вольфрамовую матрицу, пропитанную эмиссионным веществом, отличающийся тем, что матрица выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого является эмиттирующей поверхностью катода (плоской или сферической), а меньшее основание расположено на глубине h=0,3÷1.0 мм от эмиттирующей поверхности, при этом угол в вершине конуса составляет 60÷90°, матрица приварена к керну по всей соприкасающейся с ним поверхности через промежуточный активный слой с размером шероховатости от 3 до 25 мкм. В керне могут быть расположены несколько матриц.

Полезная модель относится к электронной технике, в частности, к конструкции катодов электровакуумных приборов.

Известны торцевые металлопористые катоды в виде эмиттеров из пористой вольфрамовой губки, пропитанной эмиссионным веществом на основе алюминатов бария - кальция, и закрепленных на фланце, в том числе, и для многолучевых катодных узлов [1]. Недостатком таких катодов являются высокая трудоемкость изготовления, а также наличие паразитной эмиссии и испарения эмиссионного вещества с боковой (не рабочей) поверхности эмиттеров, особенно при малых размера, что резко снижает срок-службы.

Ближайшим прототипом предлагаемой полезной модели являются торцевые металлопористые катоды в виде керна, в углублении которого запрессовывается смесь порошков вольфрама и эмиссионного вещества.[2] Эти катоды более просты в изготовлении, не имеют боковой паразитной эмиссии и могут быть изготовлены в многолучевом варианте. Однако такие прессованные металлопористые матрицы в процессе срока службы дают усадку, отслаиваются от керна, это приводит к нарушению теплового контакта матрицы с керном и нестабильности эмиссии, особенно для крупногабаритных катодов.

Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении термоустойчивости, расширении диапазона типоразмеров и увеличении долговечности торцевых металлопористых катодов в электровакуумных приборах.

Указанный технический эффект достигается благодаря тому, что в торцевом металлопористом катоде выполненном в виде керна из тугоплавкого металла и содержащего пористую вольфрамовую матрицу, пропитанную эмиссионным веществом, матрица выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого является эмитирующей поверхностью катода (плоской или сферической), а меньшее основание расположено на глубине h=0,3÷1,0 мм от эмитирующей поверхности, при этом угол в вершине конуса составляет 60÷90°, матрица приварена к керну по всей соприкасающейся с ним поверхности через промежуточный активный слой с размером шероховатости от 3 до 25 мкм. В керне могут быть расположены несколько матриц.

На фиг. 1 (а, б) представлены схемы различных вариантов конструкций торцевых металлопористых катодов.

Оптимальный угол =60÷90° необходим для надежного соединения матрицы 1 с керном 3. При меньше 60° составляющая сила взаимодействия частиц матрицы с керном при сварке недостаточна и соединение ненадежно. Если а больше 90° то вблизи эмитирующей поверхности матрица очень тонкая и ее срок службы уменьшается.

Минимальная толщина матрицы h=0,3 мм связана со скоростью испарения из нее эмиссионного вещества, что определяет сроки службы в приборе. Использовать матрицы с h>1,0 мм не целесообразно из-за увеличения перепада температур между керном и эмитирующей поверхностью матрицы, что уменьшает эмиссию катода.

Приварка матрицы к керну по всей соприкасающейся поверхности через промежуточный активный слой 2 между матрицей и керном гарантирует термоустойчивость конструкции катода при термоциклах включения - выключения накала подогревателя катода в течение всего срока службы. Кроме того такая приварка исключает испарение эмиссионного вещества из нерабочих частей матрицы, кроме эмиссионной поверхности.

Шероховатость активного слоя соизмерима с размером частиц вольфрамового порошка и обеспечивает надежную сварку частиц с поверхностью керна. Использование активного слоя с размером шероховатости меньше 3 мкм недостаточно для обеспечения надежной сварки частиц с керном, что ведет к снижению прочности сцепления в термодинамическом режиме. Применение активного слоя с шероховатостью больше 25 мкм ведет к появлению дефектов снижающих также прочность сцепления матрицы с керном. Механическая обработка и последующее термоциклирование катода с активным слоем величиной шероховатости 3-25 мкм показало, что по границе керн - активный слой - матрица отслаивание и другие дефекты не наблюдались.

Расположение нескольких матриц в керне фиг. 1б обеспечивает создание многолучевого катодного узла.

Нами изготовлены торцевые металлопористые катоды диаметром 30 мм с толщиной вольфрамовой матрицы 0,5±0,1 мм. Катоды прошли успешные испытания в мощном СВЧ приборе - клистроне в течение 8 тыс.часов и выдержали 330 циклов включения - выключения накала без потерь эмиссии и разрушения. В настоящее время ведутся работы по испытанию торцевых металлопористых катодов с несколькими матрицами (многолучевые катодные узлы) диаметра 3-4 мм в реальных приборах.

Литература.

1. А. Абанович, С. Гродзенский, О. Масленников, А. Ушаков, «Новые результаты испытаний на долговечность многолучевых клистронов с многоэмиттерными катодными узлами.»; X юбилейная научно-техническая конференция «Вакуумная наука и техника», Крым, Сентябрь 2003 г., т. 2 стр. 442.

2. Г.А. Кудинцева, А.И. Мельников, А.В. Морозов, Б.П. Никонов. Термоэлектронные катоды, изд. «Энергия», М.Л. 1966 г. стр. 204-205

1. Торцевой металлопористый катод в виде керна из тугоплавкого металла, содержащий пористую вольфрамовую матрицу, пропитанную эмиссионным веществом, отличающийся тем, что матрица выполнена в виде усеченного конуса, большее основание которого является эмиттирующей поверхностью катода (плоской или сферической), а меньшее основание расположено на глубине h=0,3÷1.0 мм от эмиттирующей поверхности, при этом угол в вершине конуса составляет 60÷90°, матрица приварена к керну по всей соприкасающейся с ним поверхности через промежуточный активный слой с размером шероховатости от 3 до 25 мкм.

2. Торцевой металлопористый катод по п. 1, отличающийся тем, что в керне расположено несколько матриц.