Металлопористый катод

 

Использование: в электронной технике, в конструкции катодов электронных приборов. Сущность изобретения: эмиттер металлопористого катода, закрепленный на держателе из тугоплавкого металла, содержит алюминат бария - кальция и алюминат лития.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции металлопористых катодов электровакуумных приборов.

Известны камерные металлопористые катоды (L-катоды), в которых камера заполнена эмиссионным веществом, состоящим из смеси окислов бария, кальция и лития в молярном соотношении 4:1:1, т.е. 4 BaO:CaO:Li₂O /пат. США N 3656020 кл. 313-364, 1972. Однако эти катоды в настоящее время не используются из-за сложности конструкции (наличие камеры) и высокой скорости испарения эмиссионного вещества, т.к. окись лития химически не связана с окислами бария и кальция и имеет давление паров примерно в 10 раз больше окиси бария. По этой причине эксплуатация таких катодов при стационарных рабочих температурах металлопористых катодов (1000 1100^oC ярк) недопустима, а следовательно, не возможен и отбор значительных плотностей токов в течение длительного времени.

Известен также пропитанный металлопористый катод /Кудинцева Г.А. и др. Термоэлектронные катоды. Энергия, 1966, с. 207 214, прототип/, у которого эмиттер электронов выполнен в виде пористой вольфрамовой матрицы, закрепленной на катододержателе и пропитанной эмиссионным веществом алюминатами щелочно-земельных металлов, например бария, кальция. Пропитка матрицы алюминатами осуществляется при температуре 1750 1800^oC. Состав этих алюминатов разнообразен, но наиболее широко используются алюминаты: 3 BaO, 0,5 CaO, Al₂O₃ и 5 ВаО, 3 СаО, 2 Al₂O₃. Свойства таких катодов воспроизводимы и стабильны, они обеспечивают отбор плотности тока до 10 15 А/см² в непрерывном и до 20 A/см² в импульсном режимах при температурах 1050 1100^oC ярк в течение нескольких тысяч часов.

Существенным недостатком пропитанных катодов является их низкая механическая прочность, особенно для высокоэкономичных конструкций и конструкций с малым временем готовности, когда используются тонкостенные катододержатели. Причиной снижения механической прочности катодов при термических (включение выключение накала), вибрационных и ударных нагрузках является высокая температура пропитки вольфрамовой матрицы алюминатом (1750 - 1800^oC), что приводит к рекристаллизации материала катододержателя и его разрушению.

Для снижения температуры пропитки эмиттера и уменьшения рекристаллизации материала катододержателя нами в эмиссионное вещество на основе алюминатов щелочно-земельных металлов (бария, кальция) введен алюминат лития в количестве 1 5% по массе в пересчете на окись лития. Поскольку литий образует несколько алюминатов LiAlO₂ и Li₃AlO₃, для удобства расчета содержание лития по аналогии с барием и кальцием приведено в виде окиси лития Li₂O.

По данным наших исследований установлено, что добавление алюмината лития в количестве 1% по массе или 0,1 моля (в пересчете на Li₂O) к алюминату состава 3 ВаО, 0,5 СаО, Al₂O₃ снижает его температуру плавления до 1550^oC, а добавление 3% по массе или 0,3 моля или 5% по массе или 0,5 моля соответственно до 1150 1200^oC и 1050 1100^oC. Введение Li₂O менее 1% по массе нецелесообразно, т.к. нет существенного выигрыша по снижению температуры плавления эмиссионного вещества, введение Li₂O более 5% по массе нежелательно, т.к. возрастает скорость испарения вещества с катода. Оптимальным эмиссионным веществом является добавка Li₂O 2,5 3% по массе, при этом температура пропитки составляла 1300 1400^oC.

Микротвердость материала держателя возрастает на 10 15% а деформация на изгиб уменьшается в 3^oC5 раз по сравнению с материалом, прошедшим стандартный нагрев (1750 1800^oC) при пропитке эмиттера. Эмиссионные характеристики катодов, содержащих Li₂O, не отличались от эталонных катодов на основе стандартного алюмината и определялись уравнением зависимости работы выхода () от температуры (K): =2+(5+1)(T-1300)10^-4 эВ в диапазоне температур 1300-1400 K. Скорость испарения эмиссионного вещества не превышает 10^-9 г/см² сек при 1400 K, что соответствует современным требованиям к металлопористым катодам.

Нами были изготовлены торцевые металлопористые катоды размером 8 мм. На молибденовый крен (держатель) толщиной 0,05 мм плазменным методом наносилась вольфрамовая губка толщиной 300 400 мкм, которая пропитывалась алюминатом состава 3 ВаО, 0,5 СаО, 0,5 Li₂O, Al₂O₃, что соответствовало содержанию примерно 2,5% по массе. Температура пропитки составляла 1400^oC в течение 5 мин. Привес алюмината в вольфрамовой губке составлял 4 5% по массе. Катоды испытаны в диоде с охлаждением молибденовым анодом при отборе тока 2 А/см² в непрерывном режиме и температуре 960^oC в течение более 1000 часов, ток катода в процессе испытания увеличился на 5% катод выдержал 10 тыс. включения накала, а также вибрационные 50 Гц 2 кГц при 2,5 q в течение 3 часов и ударные 1 600 Гц при 7,5 q в течение 3 часов нагрузки. Деформаций и разрушения катода не наблюдалось.

Формула изобретения

Металлопористый катод, содержащий катододержатель из тугоплавкого металла например, молибдена, и эмиттер, закрепленный на катододержателе и пропитанный эмиссионным веществом на основе алюминатов щелочноземельных металлов, бария и кальция, отличающийся тем, что эмиссионное вещество содержит алюминат лития и имеет состав в молях (2,5 ^oC 3) BaO (0,5 ^oC 1,5) CaO (0,1 ^oC 0,5) Li₂O Al₂O₃ или мас.

BaO 64 ^oC 77 CaO 5 ^oC 15 Li₂O 1 ^oC 5 Al₂O₃ 16 ^oC 18