Холодный катод

РЕФЕРАТ

Полезная модель относится к электронной технике, более конкретно, к таким ее областям, где используется физическое явление электронной или ионно-электронной, или автоэлектронной эмиссии и касается холодного катода.

Предложен холодный катод из металла или сплава, имеющий смешанную структуру, содержащую зерна и фрагменты нанометрического размера, полученную посредством интенсивной пластической деформации, отличающийся тем, что катод имеет смешанную структуру, содержащую от 50 до 95% зерен нанометрического размера, остальное фрагменты, или зеренную структуру, содержащую зерна нанометрического размера, полученную посредством интенсивной пластической деформации и последующего низкотемпературного отжига при температуре не ниже рабочей температуры катода.

Полезная модель является усовершенствованием холодного катода, структура которого получена посредством интенсивной пластической деформации и позволяет еще более повысить эффективность катода за счет уменьшения работы выхода электрона.

2420-300935RU/032

ХОЛОДНЫЙ КАТОД

Полезная модель относится к электронной технике, более конкретно, к таким ее областям, где используется физическое явление электронной или ионно-электронной, или автоэлектронной эмиссии, и касается холодного катода.

Холодные катоды, работающие по принципу вторичной электронной или ионно-электронной эмиссии, или автоэлектронной эмиссии, широко распространены. Они используются в таких устройствах, как вакуумные и газоразрядные приборы, в том числе, оптические квантовые генераторы, гелий-неоновые лазеры, индикаторные приборы, ионные источники. В частности, последние являются, в свою очередь, важной составной частью широко используемых устройств: плазмотронов, масс-спектрометров. Характеристики холодных катодов определяют точность и эффективность работы перечисленных выше устройств. Требования к характеристикам холодных катодов возрастают с развитием микроэлектроники и наноэлектроники.

В большинстве перечисленных выше устройств в качестве холодных катодов используются катоды, изготовленные из металлов и сплавов: алюминия, бериллия, магния, железа, никеля, тантала, молибдена и др. [1]. Выбор определенного материала катода осуществляют, руководствуясь требованиями к его долговечности и эффективности, в последнем случае с учетом такой важнейшей эмиссионной характеристики металла или сплава, как работа выхода электрона. При прочих равных условиях снижение значения работы выхода электрона позволяет получить, например, в ионном источнике больший ионный ток при меньшем значении приложенного напряжения. Кроме того, например, в газоразрядных приборах снижение значения работы выхода позволяет уменьшить давление газа и тем самым снизить нагрузку на вакуумную систему прибора, что, в конечном счете, приводит к повышению надежности прибора.

Значения работы выхода электрона для различных материалов, в том числе металлов, приведены в справочной литературе [2].

Известен холодный катод газоразрядного прибора [3], изготовленный практически из чистого алюминия, в который введена присадка из кремния в количестве 0,5-1,65 масс. %.

Присадка кремния в алюминии способствует образованию однородной микроструктуры и уменьшению размера зерен, что в свою очередь способствует увеличению стойкости оксидного слоя и препятствует распылению катода.

Известен холодный катод [4], материал которого в отличие от [3] содержит также железо в количестве 0,1-2,0 масс. %. Введение присадки железа в сплав алюминия с кремнием уменьшает параметры решетки за счет образования однородного твердого раствора замещения в алюминии. При этом устойчивость к ионной бомбардировке поверхности катода увеличивается, и распыление еще более уменьшается.

Известен холодный катод газоразрядного прибора, в котором в качестве материала катода использован никель с добавлением алюминосиликата цезия или рубидия в количестве 0,5-25 масс. % [5], что обеспечивает возможность устойчивой работы катода в условиях интенсивной ионной бомбардировки, увеличивает эмиссионный ток, в т.ч. за счет снижения работы выхода.

Недостатком приемов, связанных с изменением состава сплава путем введения специальных присадок [3, 4, 5], является невозможность изготовления катода с заранее заданными свойствами с высокой степенью точности, что связано с тем, что при разных плавках практически невозможно выдержать один и тот же состав сплава. Именно поэтому в известных решениях количество присадок дается в достаточно широком интервале. Такие катоды не могут быть взаимозаменяемыми при использовании в упомянутых выше современных приборах. Кроме того, изменение состава любого промышленного сплава экономически крайне невыгодно.

В связи с последним утверждением известно использование промышленных алюминиевых сплавов типа Д 16, масс. % : Al - осн.; Cu - 4,3; Mg - 1,5; Mn - 0,6; Fe 0,5; Si 0,5, и АД 1 (технически чистый алюминий, 99,3 %) в качестве материала холодного катода [6]. Катод имеет упрочненную посредством холодной пластической деформации, а именно, шариковой раскаткой, поверхность. Такая упрочненная поверхность способствует повышению долговечности катода.

Известен катод (катодная мишень) [7], выполненный из металла или сплава, имеющий однородную мелкозернистую, с размером зерен 15 мкм и выше, структуру во всем объеме. Такая структура в катоде получена за счет пластической деформации (прокатки) заготовки катода.

За счет однородной мелкозернистой структуры достигается равномерность распыления металла с поверхности мишени. Но в известном решении [7] не отражено, как структура катода, в частности размер зерен, полученная пластической деформацией, может влиять на работу выхода электрона и прочность катода.

О влиянии пластической деформации в различных условиях напряженно-деформированного состояния на работу выхода электрона, известно из [8]. Предлагается методика расчета изменения работы выхода на основе модели ее взаимосвязи с электроотрицательностью металлов с учетом формирования нанометрических поверхностных дефектов. Однако возможности использования модели и расчетной методики на ее основе при изготовлении катода, характеризующегося пониженным значением работы выхода, тоже ограничены. Причиной этого является, прежде всего, то, что методика, будучи достаточно сложной и громоздкой, учитывает влияние на изменение работы выхода только поверхностных дефектов, которое может быть нейтрализовано при дальнейшей обработке катода или в процессе его эксплуатации.

При этом из [8] известно, что снижение работы выхода соответствует увеличению степени пластической деформации.

Известно, что максимально возможную степень деформации без разрушения заготовки позволяют реализовать специальные методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [9,10].

К наиболее известным специальным методам ИПД, можно отнести равноканальное угловое прессование (РКУ-прессование) и кручение под квазигидростатическим давлением на установке типа наковальни Бриджмена [9,10]. При использовании указанных методов может быть достигнута степень деформации е 4, где е - истинная логарифмическая степень деформации.

С учетом вышеизложенного за прототип полезной модели выбран холодный катод, известный из [11]. Катод изготовлен из вольфрама чистотой 99,99 %, и имеет структуру с нанометрическим размером зерен, около 100 нм, которая получена за счет ИПД, осуществленной, в частности, методом кручения под квазигидростатическим давлением на установке типа наковальни Бриджмена, до истинной логарифмической степени е ˜ 7.

Посредством измерения контактной разности потенциалов определена работа выхода электрона, точнее разница между работой выхода образца катода, подвергнутого ИПД и имеющего нанометрический размер зерен, и работой выхода образца катода в обычном крупнозернистом состоянии. Было обнаружено, что формирование структуры с нанометрическим размером зерен приводит к снижению работы выхода в металле. Снижение работы выхода для вольфрама с размером зерен около 100 нм составило ˜ 0,8 эВ. Были проведены комплексные исследования образца, в том числе методом просвечивающей электронной микроскопии, а также численное моделирование эксперимента.

Было выявлено, что рассматриваемое специфическое поведение нанокристаллического материала обуславливается, прежде всего, не малым размером зерен, а особым, характеризующимся внутренними напряжениями, «неравновесным» состоянием границ зерен, о чем свидетельствовал диффузный контраст на границах зерен, наблюдаемый посредством электронного просвечивающего микроскопа. Причем значительные, до 1-3%, искажения решетки внутренними напряжениями наблюдались вблизи границ в области шириной порядка 10 нм.

Таким образом, была получена возможность, выдвинуть гипотезу о том, что формирование структуры с нанометрическим размером зерен приводит к возникновению трубок тока с пониженной работой выхода. Такая трубка тока включает непосредственно границы зерен и их окрестности шириной около 10 нм.

Кроме снижения работы выхода ИПД приводит к заметному повышению прочности холодного катода, что может приводить к повышению его долговечности [6].

Однако дальнейшие эксперименты показали, что увеличение степени деформации, в частности, образца из того же вольфрама, при ИПД не дает ожидаемого, известного из [8], снижения значения работы выхода. А при деформировании методом ИПД, в частности, образца из промышленного алюминиевого сплава АМГ6 (6,3% Mg; 0,6% Mn; Cu<0,1%; Zn<0,2%; Fe<0,4; Si<0,4%, остальное Al) вообще не удается получить предполагаемого в соответствии с [11] результата.

Таким образом, имеется проблема, связанная с выявлением четкой взаимосвязи между значением работы выхода электрона в катоде и его структурой, характеризующейся нанометрическим размером зерен, полученной посредством ИПД.

Задачей полезной модели является повышение эффективности катода, изготовленного из металла или сплава, за счет уменьшения значения работы выхода электрона посредством видоизменения структуры катода, полученной после ИПД.

Поставленная задача решается, когда холодный катод из металла или сплава, имеющий смешанную структуру, содержащую зерна и фрагменты нанометрического размера, полученную посредством интенсивной пластической деформации, отличается от известного тем, что катод имеет смешанную структуру, содержащую от 50 до 95 % зерен нанометрического размера, остальное фрагменты, или зеренную структуру, содержащую зерна нанометрического размера, полученную посредством интенсивной пластической деформации и последующего низкотемпературного отжига при температуре не ниже рабочей температуры катода.

Пояснение сущности полезной модели

Исследования посредством электронной микроскопии образцов, подвергнутых ИПД, показали, что при интенсивной пластической деформации структура металла или сплава претерпевает значительные видоизменения. Происходит деление зерен с образованием более мелких, чем исходные зерна, фрагментов - разориентированных областей, разделенных несформировавшимися границами дислокационного типа. В процессе рекристаллизации происходит преобразование фрагментов в зерна, примерно такого же размера, как фрагменты, с образованием между ними границ зеренного типа. При этом образование зерен и соответствующих границ в чистых металлах идет более интенсивно, чем в сплавах, из-за затрудненной в сплавах миграции границ. Далее происходит деление вновь сформировавшихся зерен. Указанные процессы в течение времени осуществления ИПД происходят одновременно и непрерывно. Поэтому в момент времени по достижении требуемого нанометрического размера элементов структуры, когда ИПД прерывается, в металле или сплаве неизбежно присутствуют как зерна, так и фрагменты нанометрического размера. Таким образом, металл или сплав имеет после ИПД смешанную структуру, в лучшем случае, содержащую равное количество зерен и фрагментов, как, например, в металлах, или же преобладающее, более 50 %, количество фрагментов, как, например, в сплавах. Первая картина была выявлена, в частности, при дополнительных исследованиях структуры образца из вольфрама, а вторая - при исследованиях структуры образца из алюминиевого сплава АМГ6.

Более того, увеличение степени деформации выше некоторого значения, зависящего от физических свойств металла или сплава, не приводит к трансформации фрагментированной структуры в зеренную структуру и к увеличению доли зеренных границ. По этой причине, как сплавы, так и чистые металлы, могут после ИПД иметь структуру, содержащую, преимущественно фрагменты нанометрического размера. Границы фрагментов имеют дислокационную природу, то есть они кристаллографически не сформированы, и остаются такими в процессе и после деформации (см. приведенную ниже фиг. 10, иллюстрирующую рассматриваемую структуру образца катода из сплава АМГ6). Соответственно такие несформированные границы не могут обеспечить дополнительного снижения работы выхода электрона. Более того, работа выхода в образцах катода со структурой, содержащей менее 70 - 80 % зерен может не отличаться по значению от работы выхода в образцах катода с крупнозернистой структурой, полученных традиционными методами.

При низкотемпературном отжиге происходит трансформация фрагментированной структуры в зеренную структуру. Температура и время отжига выбираются из условия сохранения нанометрического размера зерен.

Температура отжига, достаточная только для преобразования фрагментов в зерна, не приводит к увеличению размеров элементов структуры. Нанометрический размер зерен остается приблизительно равным размеру фрагментов. Поскольку абсолютного равенства размеров зерен и фрагментов в таком физическом процессе, как трансформация структуры металла или сплава, достичь практически невозможно, размер зерен на несколько нанометров, в пределах ˜ 20 - 30 нм, может быть больше размеров фрагментов. Границы образовавшихся зерен нанометрического размера дают дополнительный вклад в снижение работы выхода электрона по сравнению с вкладом, который дает только ИПД, в случае частично фрагментированной структуры, как, например, для катода из вольфрама. При наличии преимущественно фрагментированной после ИПД структуры только отжиг может обеспечить эффект снижения значения работы выхода, известный из [11].

Обеспечение за счет ИПД и последующего низкотемпературного отжига наличия в структуре сплава, например, АМГ6, по крайней мере, 50 % зерен нанометрического размера уже создает благоприятную картину возникновения трубок тока и снижения работы выхода. В чистых металлах за счет ИПД и отжига может быть получена структура, содержащая до 100 % зерен нанометрического размера.

Рекомендуется температуру отжига для большинства металлов и сплавов, традиционно используемых для изготовления холодного катода, выбирать примерно равной 0,2 Тпл. Экспериментально установлено, что такая температура отжига подходит и для практически чистых металлов, таких, как никель, вольфрам, титан, молибден, и для сплавов, типа АМГ6, Э 125 (2,5% Nb; остальное Zr) и др. Отжиг при более низкой температуре не приводит к заметным изменениям в структуре деформированного образца. Кроме того, холодный катод в процессе эксплуатации может разогреваться, как правило, от комнатной температуры до температур порядка 100 ⁰С, поэтому температура отжига должна быть не менее рабочей температуры катода во избежание термической нестабильности его структуры в процессе эксплуатации.

В сочетании с низкотемпературным отжигом ИПД может быть использована для получения структуры, повышающей эффективность катода практически из любого металла или сплава, традиционно применяемого для этих целей. Тогда как использование только ИПД не может привести к повышению эффективности катода из металла или сплава, склонного при ИПД к интенсивной фрагментации.

Использование ИПД и низкотемпературного отжига позволяет повысить экономичность предлагаемого холодного катода по сравнению с прототипом за счет изготовления катода из промышленного сплава без введения дополнительных присадок для снижения работы выхода электрона.

Кроме того, полезная модель сохраняет и другие достоинства прототипа.

А именно полезная модель позволяет повысить прочность холодного катода. Однако по сравнению с традиционными крупнозернистыми катодами повышение прочности происходит на несколько меньшую величину, чем в прототипе, за счет частичного снятия наклепа.

Методы ИПД имеют определенные ограничения, связанные с малыми габаритами обрабатываемых заготовок и необходимостью придания им определенной формы: прутка - для РКУ-прессования, или диска - для кручения под квазигидростатическим давлением.

Однако указанное не является ограничением для промышленного применения полезной модели, поскольку катод, имеет соответствующие методам ИПД малые габариты и тенденцию к дальнейшему уменьшению габаритов. Более того, появляется возможность промышленного использования в сочетании с низкотемпературным отжигом такого метода ИПД, как, например, кручение под квазигидростатическим давлением, который традиционно считается пригодным для обработки образцов из металлов и сплавов в лабораторных условиях.

Необходимо также отметить, что при работе нагретого для реализации явления термоэлектронной эмиссии катода, происходит рост зерен, сопровождающийся релаксацией энергии, запасенной в границах. Поэтому существенным становится признак, отраженный в названии полезной модели - холодный катод.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что задачи полезной модели решаются только при взаимосвязанном использовании всей совокупности существенных признаков полезной модели.

Полезная модель иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг.1. Схема изготовления катода;

Фиг.2. Экспериментальный образец холодного катода (фото);

Фиг.3. Внешний вид диодной ячейки (фото);

Фиг.4. Газовый разряд в диодной ячейке (фото);

Фиг.5. Вольтамперные характеристики диодной ячейки с холодным катодом из никеля;

Фиг.6. Вольтамперные характеристики диодной ячейки с холодным катодом из сплава Э 125;

Фиг.7. Вольтамперные характеристики диодной ячейки с холодным катодом из сплава АМГ6;

Фиг.8. Вольтамперные характеристики диодной ячейки с холодным катодом из вольфрама;

Фиг.9. Структура образца холодного катода из сплава АМГ6 до деформации;

Фиг.10. Структура образца из холодного катода сплава АМГ6 после ИПД;

Фиг.11. Структура образца холодного катода из сплава АМГ6 после ИПД и отжига при 75⁰С;

Фиг.12. Структура образца из сплава АМГ6 после ИПД и отжига при 150°С;

Фиг.13. Структура образца холодного катода из сплава АМГ6 после ИПД и отжига при 250°С;

Фиг.14. Структура образца холодного катода из сплава АМГ6 после ИПД и отжига при 300°С;

Фиг.15. Зависимость микротвердости образца холодного катода от размера зерен.

Примеры конкретного выполнения:

Для изготовления холодного катода в соответствии с существенными признаками полезной модели могут использоваться также как, например, в [1] алюминий, бериллий, железо, никель, вольфрам, тантал, молибден, титан, ниобий, цирконий и другие металлы или сплавы на их основе, то есть традиционно используемые для изготовления холодного катода.

Для иллюстрации промышленной применимости полезной модели в качестве материала холодного катода выбраны технически чистый никель (Ni 99,98%), технически чистый вольфрам (99,99%) и промышленные сплавы алюминия - АМГ6, и циркония - Э125. Приведенный пример не исчерпывает возможностей использования всех других металлов и сплавов, из которых может быть изготовлен холодный катод.

Во всех случаях заготовку катода деформировали методом ИПД - кручение под квазигидростатическим давлением на установке типа наковальни Бриджмена (Фиг.1). На фиг.1 поз.1 обозначена заготовка катода, поз.2 - бойки наковальни.

Приведенный пример также не исчерпывает использования других методов ИПД при изготовлении холодного катода, в том числе, в случае их разработки после создания настоящего полезной модели.

Для осуществления ИПД вырезали диск диаметром 10 мм и толщиной 0,2 мм из промышленного горячепрессованного прутка из сплава АМГ6, а также слитков из никеля и вольфрама, и сплава Э 125.

Заготовки помещали между двумя бойками и сжимали под давлением Р ˜7 ГПа при комнатной температуре.

Структуру с элементами в виде, преимущественно, фрагментов в заготовках катода из сплавов Э 125 и АМГ6, а также в виде фрагментов и зерен в заготовках катода из вольфрама и никеля получили посредством интенсивной пластической деформации. Деформацию всех заготовок осуществляли до достижения истинной логарифмической степени е ˜ 7.

Степень деформации определяли по формуле:

e=ln(r/l),

где - угол вращения в радианах, r и l - радиус и толщина заготовки соответственно [10].

С помощью электронного просвечивающего микроскопа JEM-2000EX определили степень фрагментации заготовок и размеры элементов структуры.

Средний размер фрагментов и зерен в заготовках катода из никеля и вольфрама составил 100 нм. При этом степень фрагментации заготовки из никеля была большей, чем заготовки из вольфрама.

Средний размер фрагментов в заготовках катода из сплава АМГ6 составил 100 нм.

Средний размер зерен и фрагментов в заготовке катода из сплава Э125 составил 90 нм.

В последних двух заготовках степень фрагментации была значительной.

После деформации заготовки катода подвергали низко температурному отжигу. Отжиг осуществляли при следующих температурах:

- для заготовки из сплава АМГ6 - 150°С;

- для заготовки из сплава Э125 - 300°С;

- для заготовки из никеля - 250°С;

- для заготовки из вольфрама - 500°С.

Время отжига составило ˜ 1 час. Время отжига может быть большим или меньшим указанного в зависимости соответственно от меньшей или большей температуры отжига.

После отжига во всех образцах катода была получена, преимущественно, зеренная структура.

Также с помощью электронного просвечивающего микроскопа JEM-2000EX определили размер зерен в образцах катода и их примерное количество.

Соответственно средний размер зерен и их примерное количество составили

- в образце катода из сплава АМГ6 - 130 нм, 60%;

- в образце катода из сплава Э125 - 110 нм, 70%;

- в образце катода из никеля - 120 нм, 80 %;

- в образце катода из вольфрама - 120 нм, 100%

Для предотвращения окислительных процессов отжиг проводили в электрической печи в вакууме.

После деформации и отжига все четыре образца катода подвергли дополнительной деформации для получения слегка выпукло-вогнутой формы. При этом заготовки деформировали при комнатной температуре.

Готовые образцы холодного катода имели форму диска диаметром 10 мм и толщиной ˜ 0,1 мм.

Вид готового экспериментального образца холодного катода представлен на фиг. 2. Такой катод может быть использован как составная часть ионного источника.

Далее проводили измерение работы выхода электрона.

Работу выхода измеряли методом контактной разности потенциалов [12]. По смещению кривых задержки друг относительно друга непосредственно определяли относительное изменение работы выхода , для образцов катода, имеющих структуру после ИПД и низкотемпературного отжига и для образцов, имеющих структуру после только ИПД. Для достоверности результатов перед измерением работы выхода проводили очистку поверхности всех образцов непосредственно в измерительной установке, не допуская контакта образца с воздухом, с помощью ионного травления в атмосфере инертных газов.

Погрешность измерений составила ˜ 2%.

Для наглядности результаты свели в таблицу:

№	Материал образца	=1-2 , эВ
1	Сплав АМГ6	0,3
2	Никель	0,4
3	Сплав Э125	0,3
4	Вольфрам	0,2

₁ и ₂ - работа выхода электрона предлагаемого холодного катода и прототипа соответственно..

Измерения показали, что образцы катодов после ИПД и низкотемпературного отжига имеют более низкое значение работы выхода по сравнению с образцами катода после ИПД.

Снижение работы выхода приводит к повышению эффективности

холодного катода, например, при его работе в составе ионного источника.

Ионный источник- это электровакуумное устройство для получения направленного потока ионов, действие которого основано на использовании различных видов электрических разрядов в газе (инертных газах, водороде) или парах металла. Простейший ионный источник представляет собой диодную ячейку, фиг. 3, 4, баллон которой наполнен инертным газом, и свойства определяются взаимодействием электронного потока с газовой средой и электрическим полем между электродами (анодом и катодом).

Эффективность работы ионного источника с холодным катодом характеризуется способностью давать более высокий рабочий ток пучка ионов при меньшем рабочем напряжении, а также однородный по составу пучок ионов и постоянную плотность ионного тока. При одинаковых условиях эффективность работы катода зависит от свойств материала катода, в частности, от работы выхода электрона. Чем ниже работа выхода электрона, тем больше коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии и, как следствие, интенсивность пучка ионов.

Исследования вольтамперных характеристик самостоятельного разряда в диодной ячейке с предлагаемыми холодными катодами, показали повышение эффективности катодов:

- из никеля выше на 55%, см. фиг.5;

- из сплава Э125 выше на 35%, см. фиг.6.;

- из сплава АМГ6 выше на 40%, см. фиг.7;

- из вольфрама выше на 25%, см. фиг.8.

Вольтамперные характеристики предлагаемых холодных катодов, приведены на фиг. 5, 6, 7, 8.

На фиг. 5, 6, 7, 8 кривая 1 - вольтамперная характеристика диодной ячейки с предлагаемым холодным катодом, изготовленным соответственно из никеля, сплавов Э125 и АМГ6 и вольфрама и имеющим структуру после ИПД и низкотемпературного отжига; кривая 2 - вольтамперная характеристика диодной ячейки с холодным катодом, изготовленным из тех же материалов со структурой, полученной после ИПД без использования низкотемпературного отжига.

Как уже было отмечено, исследования микроструктуры образцов проводили на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2000EX. Исследованию подвергались образцы из всех четырех материалов: никеля, вольфрама, сплава АМГ6 и сплава Э125. Во всех случаях получили достоверные результаты, касающиеся эволюции структуры в образцах, подтверждающие возможность решения поставленной задачи полезной модели. Для краткости далее приводятся данные (графические материалы) только по сплаву АМГ6.

На фиг. 9, 10, 11, 12, 13, 14 приведены структура катода из исследуемого сплава АМГ6 соответственно до деформации, после деформации, после деформации и отжигов при температурах Т = 75, 150, 250 и 300⁰ С.

Перед ИПД сплав АМГ6 имел типичную частично рекристаллизованную структуру горячепрессованного полуфабриката. В матрице присутствовали грубые включения первичных фаз. Химический анализ показал, что состав светлых частиц соответствует фазе Al₁₀Mg₂Mn, а темных частиц - Mg₂Si.

После ИПД структура матрицы приобрела фрагментированное строение и состояла из элементов-фрагментов со средним размером ˜100 нм. Неоднородный контраст в теле фрагментов свидетельствовал о наличии сильных искажений кристаллической решетки и высоких внутренних напряжениях, и о дислокационной природе границ и их несформировавшемся состоянии.

Отжиг при температуре 75°C не приводил к заметным изменениям фрагментированной структуры сплава.

В процессе отжига при температуре 150°С фрагментированная структура трансформировалась в структуру зеренного типа. Процесс сопровождался незначительным укрупнением зерен (до ˜130 нм). С дальнейшим повышением температуры до 250°С активизировался нормальный рост зерен, формировавший равновесную и равноосную структуру, со средним размером зерен ˜540 нм. Дальнейшее повышение температуры отжига сопровождалось значительным укрупнением зерен. В результате после отжига при 300°С размер зерен увеличился до 2 мкм.

Полученные данные позволили также оценить микротвердость образца в различных структурных состояниях. Микротвердость оценивали согласно ГОСТ 9450-76.

На фиг.15 приведена зависимость микротвердости от температуры отжига сплава АМГ6 и соответственно от размера зерен. Согласно полученной зависимости микротвердость образца холодного катода, подвергнутого ИПД и низкотемпературному отжигу, в 2,5 раза выше, чем образца в крупнозернистом состоянии. В результате в 2,5 раза повышается прочность катода, и как уже было отмечено для ряда сплавов, его долговечность. При этом микротвердость образца после ИПД и низкотемпературного отжига незначительно меньше, чем после ИПД из-за частичного снятия деформационного упрочнения (наклепа).

Резкое уменьшение микротвердости, наблюдаемое при более высоких температурах, вызвано структурными превращениями, описанными выше, и связано со снятием эффектов деформационного упрочнения.

Источники информации, принятые во внимание:

1. А.С. SU 375709, МПК H01J 9/02, 1/30 1973.

2. В.С. Фоменко Справочник «Эмиссионные свойства материалов». Киев, Наук. Думка, 1981.-340с.

3. А.С. SU 1023947, МПК Н01J 1/30, 1991.

4. А.С. SU 1108942 МПК Н01J 1/30, 1991.

5. А.С. SU 1115619, МПК H01J 1/14, 9/02, 1987.

6. Г.Г. Бондаренко и др. «Создание эффективных холодных катодов из алюминия и бериллия» журнал «Перспективные материалы», № 2, 2007, с. 23-28.

7. Патент РФ 2261288, С23С 14/34, С22F 1/00, С22В 5/12, 2005.

8. С.В. Лоскутов «Изменение работы выхода электрона при упруго-пластическом деформировании металлов», ФIП ФИП PSE т.1, № 3-4, vol.1, No. 3-4.

9. В.М. Сегал, В.И. Резников, В.И. Копылов и др. «Процессы пластического структурообразования металлов», Минск, «Наука и техника», 1994, 232 с.

10. Н.А Смирнова, В.И. Левит, В.И. Пилюгин и др. «Эволюция структуры ГЦК кристаллов при больших пластических деформациях», ФММ, 1986, Т. 61, № 6, с. 1171-1176.

11. Р.Р. Мулюков, Ю.М. Юмагузин «Работа выхода электронов из нанокристаллического вольфрама», Доклады Академии наук, 2004, том 399, № 6, с.730-732.

12. Anderson P.A. Phys. Rev. 1952. V.88. P. 655-658.

Холодный катод из металла или сплава, имеющий смешанную структуру, содержащую зерна и фрагменты нанометрического размера, полученную посредством интенсивной пластической деформации, отличающийся тем, что катод имеет смешанную структуру, содержащую от 50 до 95% зерен нанометрического размера, остальное фрагменты, или зеренную структуру, содержащую зерна нанометрического размера, полученную посредством интенсивной пластической деформации и последующего низкотемпературного отжига при температуре не ниже рабочей температуры катода.