Способ изготовления жидкостных катодов

" "в виде мелкоднсперсных порошков металлов, имеошух температуру плавлении800-1800 С и давление насьпКениогоеЯпара 1 10 .-1 ф 10 торр при температуре обработки прибора, затем к упомятутому исходному веществу добавляют жидкометвллический сплав на основе галлияс равновесной температурой плавления0,5-30 С, включающий компоненты, имею-пЮе давление наспшенных паровХф 10 -1 10торрири температуреобработки прибора, после чего исходноевещество и жидкометвллический сплав рвзятые в соотношении 3:1 - 9:1, перемешивают до образования гомогеннойМассы, затем подученным составом заполняют рабочую полость катода и производят отвеукдение в вакууме при дввлении 1 ф 10 - 1 10 торрВ качестве дисперсионно-твердеющего материала используют следующуюкомпозицию, вес.%:Галл ий 30-50Медь 50-70Процесс изготовления жидкост.ых йа- фтодов может быть проведен следующимобразом. В сосуд из фторопласта помешаЮт йввеску галлия и порошка тугоЙлййкого"металла, например меди, всоотношении, вес.%:39Галлий 34Медь 66При температуре не ниже 30 С происходит" перемешиваййе ууказвюпах ингре"диентов с целью создания гомогенной35пасты. Для интенсификации процесса перемешиванка используют знергию уларазвуковых колебаний, например; при перемешивайии применяют магнитострикпион40иые наконечники улэтрвзвуковых генервторов УЗГ.4. Затем к исходному диопеосиокно твердеющему материалуДТМ)и виде пластичной готогенной пасты добавляют жидкометаллический сплав (ЖМС)45на основе галлия с температурой плаволенин не выше 30 С, например, следую щего состава, вес.%:Гвллий 62Индий 25Олово 13(температура плавления 10,6 С) в сле - дующем соотношении, вес. ч.:ЙТМ . 8ЖМС1После етого указанные компонентыперемешивают до гомогенюго состояния,Например, с помощью ультразвука. Полученной смесью заполняют рабочую полость. катода, изготовленную из керамики или кварца, прошедших стандартную технохимическую очистку, применяемую для деталей электровакуумных приборов. С целью формирования жидкостных микроострий нв открытой поверхности рабочей полости катода оболочку, заполненную рабочим телом, помешают в вакуумную камеру и откачивают до давления порядка 110 -110 торр и подвергают при, данном давлении (не выше 10 торр) .о термообработке при 150-200 С в течение 2-5 ч. В процессе термообрвботки в рабочем теле происходит гетерогенная реакция, обусловленная высокой поверх ностной активностью галлия и дисперсностью тугоплввкой фазы и проходящая по мехайизму твердофвзной диффузии, ооложненной спеканием в присутствии жидкой фвзы. В результате образуются ин терметвллические соединения системы гвллий - тугоплавкий металл, обладающие высокой температурой плавления (800-1000 С). Жидкометвллический сплав заполняет получающиеся при криствллизации микропоры. При этом образуется система рабочего тела катода, состоящего из интерметвллического каркаса, заполненного жидкометаллическим сплавом в соотношении: 3:1-9:1. При таком выборе указанных соотношений при затвердевании и увеличении объема каркаса происходит "выпотевание" жидкометвллического сплава на поверхности рабочего тела катода в виде жидкометвллических микроострий с размерами 0,5-5 мкм и плотностью порядка 10 острий /мм .Могут быть применены материалы следующих марок:Гаплий ГП-В 2 РЭТУ 48-4-237-72Индий ОСЧ-3 ТУ 48-6-41-74Олово ОВЧГОСТ 5.1027-71Серебро;порошок ПСГССТ 9724-61Медь порошок ПМСф ТУ 48-05-101-70Кобвлж-.порошок ПКГОСТ 9721-71Никель, платина, пвлладий, золотомелкодисперсный порошок с размером частиц 10-40 мкм.Приведенные режимы и соотношения используемых материалов выбраны из следуюншх соображений. Выбор температуры плавления металлов твердой фазы выше 800 С определяется способностью данного вакуумного металла реагировать с жидким гвллием при.температуре 100-250 С и наличием в системе галлий- металл тугоплавких интерметвллидов и областей с узкой концентрационйой зоной существования структуры. Все вакуумные металлы, отвечаюшие указанным свойствам, имеют температуру плавления более 800 С, например медь, серебро, палладий.Температура плавления жидкометаплиоческого сплава не выше 30 С выбрана .; потому, что дает воэможность изготавливать катодный узел при комнатной температуре и обеспечивать сохранение на нем жидких микроострий в процессе приготовления и во время работы, т. е. дает воэможность использовать прибор при комнатной температуое. В сочетании с требованиями относительно давления пара компонентов это ограничение приводит. к использованию в жидких сйлавах только галлия индия Олова и серебра и исключению невакуумных материалов - цинка, таллин, кадмия и др.Процентное соотношение компонентов материал катода определяют исходя из следующих соображений.Жидкометаллический сплав является рабочей жидкостью для микроострий катода. При комнатной температуре, т. е.оне выше 30 С, существуют в жидком виде, за исключением ртути и цезия, только сплавы на основе галлия - двойные, тройные и четверные эвтектикй и жидкие композиции. Все они отличаются склонностью к переохлаждению и имеют температуру плавления в интервале 3- 25,4 С. Поскольку применение невакуумных материалов невозможно, такие сплавы, помимо галлия, могут содержать только индий, олово и серебро, для кото рых известны двойные и тройные эвтектики с точками плавления от 7,9 до 25,4 С.Йля дисперсйонно-твердеющего матерйала соотношение определяется практи ческими результатами разработки дисперсионно-гвердеющих паст системы галлийметалл и анализом соотвествующих диаграмм состояния, Дисперсионно твердеющий материал должен обеспечить формирование интерметаллидного каркаса с заданной пористостью (количество открытых пор наяиттлрующей поверхности порядка 10 см ), причем обеспечить, сохранение геометрии катода при прогореве 500 С. Скорость образования каркаса должна быть достаточно большой чтобы при термообработке он сохранял свою конфигурацию. Исходя из этих требований и подбираются дисперсионно- .36 твердеющий материал. На примере системы галлпй - медь показан выбор конкретной рецептуры.Траницы выбраны следующим образом:3 при максимальном содержании галлия50 вес,% образуются интерметаллидыс температурой плавления не менееО650 С, что обеспечивает достаточныйтемпературный запас прочности каркаса,При большем содержании галлия образуются более легкоплавкие интерметаллиды.Кроме того, при прогреве избыток галлиявходит в состав жидкометаллическогосплава, вызывая отклонение эвтектичесф кого состава и повышение его температуры кристаллизации. При содержаниимеди более 70 вес.% материал получается неоднородным и охрупчивается, Приведенный пример не является единственнно ф возможным. В качестве порошка тугоплавкого металла могут быть испольэованы элементы подгруппы 1 В, никель,кобальт, палладий, платина. Соотношениядисперсионно твердеющего материала ижидкометаллического сплава взяты изэкспериментальных данных и являютсяодной иэ важнейших характеристик изобретения. Задачей, решаеМой в данкомслучае, является создание катодного тела, которое представляет собой интерметаллидный каркас, заполненный жидкометаллическим сплавом и имеющий на амйттируюшей поверхйостй микрооСтрии заданной величины и в заданном количес.35ве. Подъем сплава по капиллярам в объеме катода происходит под дествием калиллярных сил, Такая система требует длясвоего образования четко определенныхсоотношений компонентов и параметров 40процесса. Соотношение жидкометаллического сплава и дисперсионно-твердеющего материала определяет параметрыкатода. Сначала образуется ин ерметаллидный каркас имеющий капилляры, оканЭчиваюшиеся открытыми порами на эмиттнруюшей поверхности катода. Затем каркаспропитывается жидкометаллическим сплавом. При термообработке происходит рас Ю пределение сплава внутри каркаса и выдавливание его через йеры с образованиеммикроострий. В случае недостаточногоколичества жидкометаллического сплавадля заполнении объема катодного тела И в капиллярах появлиотся разрывы, а вомногих порах отсутствует жидкометаллический сплав, т, е. не образуются микроострия. Экспериментально установлено,что при соотношении дисперсионно-тверДекацего материала и сплава более, чем9:1, плотность микроострий на эмиттируеощей поверхности. катода снижается. с3 -Х7 12)ф 10 см до О,4-1,510 смпри этом размеры микроострий остаютсянеизменнымн, составляя в среднем О,2 мкм, Я случае избьуры жицкореталличзКОГО сплаВЯ Он Выдавливается иэмиттирующую поверхносгь катода. В.е.результате диаметр микроострий резкоувеличиВЯ 8 тса, а нз рад 8 учэсткОВ по"Верхности микроостриа сливяютсч ВСПЛОШНЛО ПЛЕНКУ СПЛЯВЯН 8 ИМЕОЩУаомикроострий. Экспериментально устапов.-.Л 8 НО ЧТО ПРИ ГООТНОШ 8 ПЧИ ДИСПВРРЧОПГмтвердеющего материала и сплава менео3;1 средний диаметр микроострий увели:чивается до 12-20 мкм, появля,отсаучастки, покрытыз сплавом, достигатоп 1 иевеличины 300-500 мкм, Имейпо Втипараметры и привели к выборууказанныхСООТНОШ 8 Ний.ежим отверждения катода близок кстандартным режимам Т 8 рмообработкнгаллиевых паст. Определяющим факторомявляется давление газов в системо притсьрмообработхе кагола При давпенииболее 3 х ) 1мм рт гт на эмчфутриО 1 чошей поверхности катода и микроостриахобразуются окисньее пленки, что р 8 экоухудшает условия работы катода пороговое напряжение, плотность тока). Придавлении менее Х х 10 мм рт, ст. Окпсные плейки не образуются,Работа жидкостного катода, выполненного в соответствии с изобретением, заключается в следующем,Йрн приложенееик катоду сильногоэлектрического поля порядка 50 КВ,например импульсного, с вершин нмкощихся мнкроострий эмиттируется автоэмиссионный ток, остриа увеличйватотсав размерах и при достижений определенной Высоты происходит их Взрйвно 8 "разФ:рушение, во время которого генерируетса электронный ток взрывной эмиссии,Наличие на эмиггируюшей поверхностисформированнъех заранее микровыступовзначительно сокращает время развитияпроцесса взрывной эмиссии, 8 процессевзрывной эмиссии жидкостные микроострия разрушаются, однако благодаря диффузным сидам и силам поверхностногонатяжения происходит самовосстановление эмиттируюшей поверхности катодас автоматическим воспроизв 8 д 8 нием жидкометаллических микровыступов. Дяннаа осистема въщерживает нагрев до 800 С,что значительно превышает стандартныйрежим обработки электровакуумных прибооовЖидкостные кятодыэ изготовленны 8по данному способу, могут найти применение при создании сильноточных элекгронных пучков, для получения импульсоврентгеновского излучения для инициирования излучееиа ПКГи т. д.Формула изобретения1. Способ оизготовлениа жидкостныхкатодов для электроннъех приборов, имеюелях рабочее тело, размещенное в полосси, заключающийся В формировании наэмпттнрующей поверхности рабочего телакатода жидкостных микроострийу О т л и.чя ющ и йс а тем, что, с целью обеспечения Возможности саморегеперапииповерхности микроострий в процессе работы, В качестве исходного Вещества дляполучения рабочего тепа катода исполь;зуют дисперсионно тВердеюший материалсодержяший жидкую фазу на основе галлия н твердеющую фазу в виде мелкодисперсных пОрошков металлов имеющихотемпературу плавления 800-1800 С и1павлащс пясъТшеъкногО паря 3, х 3.0 а1 х 10торр пои температуре обраш Цбобики прибора зятем к упомянутому исходееому веществу добавляЯТ жидкомталлический сплав ня основе галлия сравновесной температурой плавленияу 0,5-30 С, Вецпочаеощий компоненты, имеющие давлеепе иясъппеннъпс паров1 х 3.0 7 - 1 х 3.0 торр при температуре обработки прибора, после чего исходное вещество и жидкометаллическийЕ сплав, взятеяе в соотношении 3:1 - 9:1,перемешивают до образованна гомогенноймассы, затем полученным составом заполняют рабочую полость катода и производят отвержденпе в вакууме при давлении45 3 х 10- 1 х 30 торр.2, Способ по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, в качестве дисперсионно-твердеющего материала используют. Следующуео композицию, вес.%: галлнйй Ч 0=50 дь 50-70Исто-щики информации, принятые воВнимание прп экспертизе1, Авторское свидетельство СССР% 342424, кл. Н 01 У 1/30,ф Н 01 УЧОа, 1 О 71,2, Авторское свидетельство СССРИ 396741, кл, Н 01 71/30,Н 01 У 9/02, 1971.