способ изготовления эмиттеров электронов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ изготовления эмиттера электронов из вольфрама с легирующими добавками, заключающийся в том, что вводят в вакуумную камеру смесь гексафторида вольфрама, водорода и летучего фторида или иодида легирующей добавки в соотношении, соответствующем заданному составу эмиттера, воздействуют на указанную смесь лазерным лучом и отводят продукты реакции из камеры, при этом формируют эмиттер осаждением восстановленных вольфрама и легирующей добавки на подложку, выполненную из вольфрама и размещенную по центру лазерного луча на держателе, перемещая при этом подложку относительно лазера со скоростью, равной скорости осаждения вольфрама и легирующей добавки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эмиттер заданного размера формируют в углублении держателя, выполненного виде катодного элемента.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что подложку в виде диска размещают на дне углубления катодного элемента.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что смесь гексафторида вольфрама, водорода и летучего фторида или иодида легирующей добавки инжектируют внутрь углубления в катодном элементе.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что гексафторид вольфрама нагревают до 18°С - температуры, близкой к температуре кипения гексафторида вольфрама.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки используют летучий гексафторид молибдена, нагретый до температуры не ниже 40°С - температуры, близкой к температуре кипения гексафторида молибдена.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки используют летучий пентафторид ниобия, нагретый до температуры не ниже 235°С - температуры, близкой к температуре кипения пентафторида ниобия.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки используют летучий пентафторид тантала, нагретый до температуры не ниже 230°С - температуры, близкой к температуре кипения пентафторида тантала.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки используют летучий тетрафторид титана, нагретый до температуры температуре не ниже 286°С - температуры, близкой к температуре кипения тетрафторида титана.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки используют летучий тетраиодид циркония, нагретый до температуры не ниже 418°С - температуры, близкой к температуре кипения тетраиодида циркония.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки используют летучий тетраиодид гафния, нагретый до температуры не ниже 418°С - температуры, близкой к температуре кипения тетраиодида гафния.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки используют летучий трииодид лантана, нагретый до температуры не ниже 1580°С - температуры, близкой к температуре кипения трииодида лантана.

13. Устройство для изготовления эмиттера электронов из вольфрама с легирующими добавками, состоящее из лазера, вакуумной камеры с оптическими окнами для ввода и вывода лазерного луча, патрубка для отвода реакционных газов, соединенного с фильтром, патрубка подачи водорода и летучих соединений вольфрама и легирующих добавок, при этом внутри камеры на оси лазерного луча перпендикулярно к нему установлена подложка, выполненная из вольфрама и закрепленная на держателе, установленная с возможностью перемещения по направлению лазерного луча.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что перемещение осуществляют с помощью позиционирующего устройства, установленного на вакуумной камере.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что держатель выполнен в виде катодного элемента с центральным углублением, по форме и размерам соответствующим эмиттеру.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что подложка выполнена в виде вольфрамового диска, расположенного на дне углубления катодного элемента.

17. Устройство по п 15, отличающееся тем, что диаметр лазерного луча равен диаметру углубления.

18. Устройство по п 15, отличающееся тем, что патрубок подачи водорода и летучих соединений вольфрама и легирующих добавок соединен с инжектором, расположенным в вакуумной камере, выходной конец которого расположен вблизи углубления в катодном элементе.

19. Устройство по п 13, отличающееся тем, что за фильтром установлен абсорбер для улавливания фторида водорода и колонна для улавливания йода или йодида водорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии изготовления макро- и микроизделий - эмиттеров электронов с пониженной работой выхода электронов и с большим ресурсом работы, предназначенных для термоэмиссионных элементов электродуговых катодов генераторов плазмы и термоэмиссионных катодов электровакуумных или газонаполненных приборов, являющихся источником электронов.

В качестве материала для изготовления термоэмиссионных элементов катодов электродуговых генераторов потоков технологической плазмы, а также термоэмиссионных катодов электровакуумных или газонаполненных приборов наибольшее распространение получил вольфрам: вольфрамовые катоды обладают наиболее высокими значениями температур плавления (3420°C), кипения (5620°C), плотности тока термоэмиссии при температуре плавления, самой низкой скоростью испарения. Кроме того, вольфрам имеет большую теплоту плавления, высокую механическую прочность, теплопроводность, что особенно существенно для работы катодов в нестационарных режимах. Однако вольфрам характеризуется сравнительно высокой работой выхода электрона (e =4.54 eV), поэтому эксплуатация чисто вольфрамового катода требует высокой температуры, близкой к температуре плавления. Ресурс работы электродов сильно зависит от рабочей температуры. В целях повышения ресурса работы за счет снижения рабочей температуры в вольфрам вводят легирующие добавки, повышающие эмиссионную способность катода (В.Ф.Гордеев, А.В.Пустогаров. Термоэмиссионные дуговые катоды. - М.: Энергоатомиздат, 1988, 193 с.)

В качестве таких добавок используют оксиды тория (ThO₂ - e =3.0 eV), лантана (La₂O₃ - e =2.96 eV), иттрия (Y₂O₃ - e =3.30 eV), циркония (ZrO₂ - e =3.97 eV), гафния (HfO₂ - e =3.84 eV), церия (CeO₂ - e =2.7 eV), неодима (Nd₂O₃ - e =3.88 eV), гадолиния (Gd₂O₃ - e =3.96 eV), иттербия (Yb₂O₃ - e =4.05 eV), бария (BaO).

Формирование эмиттеров катодов или самих катодов из вольфрама с легирующими добавками является сложным технологическим процессом, так, известен СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРИСТЫХ КАТОДОВ, который включает приготовление шихты определенного фракционного состава из порошка вольфрама со средним размером зерна 3,57 мкм, прессование, спекание и пропитку веществом, испускающим электроны - легирующей добавки. Цель изобретения - повышения выхода годных катодов и однородности эмиссионной способности (Патент РФ № 1619727, оп. 20.12.95, C22C 1/08).

В патенте РФ № 2290969, оп. 10.01.07 эмиттер микронного и субмикронного уровня изготавливают из вольфрамовой проволоки фототравлением.

В патенте РФ № 413753, оп. 25.06.77 наносят покрытие из карбида вольфрама на поверхность плоского торированного вольфрамового эмиттера методом восстановления гексафторида вольфрама водородом в присутствии углеводородов. Эмиттер затем монтируют внутри медной трубки.

Также известен способ изготовления эмиттеров термоэмиссионных элементов катодов для электродуговых генераторов плазмы (плазмотронов). Из вольфрамовой заготовки (или вольфрама с добавками оксидов лантана, иттрия, алюминия и др. металлов) вытачивают эмиттер диаметром в несколько миллиметров и длиной 10-20 мм, который затем запрессовывают или запаивают в центрально расположенный цилиндрический канал медного водоохлаждаемого катодного элемента (В.Ф.Гордеев, А.В.Пустогаров. Термоэмиссионные дуговые катоды. - М.: Энергоатомиздат, 1988, 193 с.) Недостатком этого способа является:

- большое количество отходов при фрезерной и/или токарной обработке стандартных заготовок вольфрама, изготовленных на металлургических заводах,

- при изготовлении сплава вольфрама с легирующими добавками металлургическими методами технически сложно из-за ликвации получить оптимальную с точки зрения работы выхода концентрацию этих добавок в эмиттере,

- при рабочих температурах Т>2600-2800 K оксидные присадки восстанавливаются до металла, при этом освободившийся кислород механически выходит наружу, что само по себе вносит дефекты в рабочую поверхность эмиттера и понижает ресурс его работы. Эти дефекты усиливаются образованием сравнительно летучих оксидов вольфрама, что способствует еще большей эрозии эмиттера.

Известен способ получения кремния из газообразного тетрафторида кремния, включающий воздействие на тетрафторид кремния непрерывным излучением CO₂-лазера в реакционной камере, при этом газообразный тетрафторид кремния подвергают воздействию лазерного излучения мощностью 2-10 кВт под давлением 100-200 мм рт.ст. и одновременно вводят в реакционную камеру водород и аргон при непрерывной циркуляции этих газов и отводе газообразных продуктов реакции, причем кремний осаждают внутри камеры, а взаимодействие SiF₄ и H₂ осуществляется при молярном соотношении 2:1 соответственно.

Для осуществления этого способа предложено устройство, содержащее CO₂-лазер с фокусирующей линзой, реакционную камеру с оптическими окнами для ввода и вывода лазерного луча, установленными в торцах камеры, ввод газообразного тетрафторида кремния и водорода в реакционную камеру выполнен в виде патрубка, состоящего из двух трубок, коаксиально расположенных одна в другой, и установлен в средней части камеры на одной оси с точкой фокусирования лазерного луча и улавливателем кремния, при этом внутренняя трубка служит для введения в камеру тетрафторида кремния, наружная для введения водорода, по краям реакционной камеры установлены патрубки для ввода аргона, в нижней части камеры установлен патрубок для отвода реакционных газов, соединенный с вакуумным насосом и фильтром (Патент РФ № 2066296, C01B 33/03, опубл. 10.09.96).

В настоящее время нет технологии получения вольфрамового эмиттера электронов, легированного добавками, макро- или микроразмера «по мерке», т.е. без последующей механической обработки, которая бы позволила в едином технологическом процессе получить эмиттер заданного размера, состава и структуры.

Техническим результатом, которое обеспечивает изобретение, является повышение ресурса работы вольфрамовых эмиттеров электронов за счет гомогенного распределения легирующих добавок с более низкой, чем у вольфрама, работой выхода электронов, снижение эрозии эмиттера за счет исключения окисления, повышение и возможность регулирования концентрации легирующих добавок, регулирование структуры вольфрама, снижение расхода материалов.

Для достижения указанного результата предложен способ изготовления эмиттера электронов из вольфрама с легирующими добавками, заключающийся в том, что вводят в вакуумную камеру смесь гексафторида вольфрама, водорода и летучего фторида или иодида легирующей добавки в соотношении, соответствующему заданному составу эмиттера, воздействуют на указанную смесь лазерным лучом и отводят продукты реакции из камеры, при этом формируют эмиттер осаждением восстановленных вольфрама и легирующей добавки на подложку, выполненную из вольфрама, и размещенную по центру лазерного луча на держателе, перемещая при этом подложку относительно лазера со скоростью, равной скорости осаждения вольфрама и легирующей добавки.

При этом эмиттер заданного размера формируют в углублении держателя, выполненного виде катодного элемента.

В этом случае подложку в виде диска размещают на дне углубления катодного элемента.

Смесь гексафторида вольфрама, водорода и летучего фторида или иодида легирующей добавки инжектируют внутрь углубления в катодном элементе.

Гексафторид вольфрама нагревают до 18°C - температуры, близкой к температуре кипения гексафторида вольфрама.

В качестве легирующей добавки используют летучий гексафторид молибдена, нагретый до температуры не ниже 40°C - температуры, близкой к температуре кипения гексафторида молибдена.

В качестве легирующей добавки используют летучий пентафторид ниобия, нагретый до температуры не ниже 235°C - температуры, близкой к температуре кипения пентафторида ниобия.

В качестве легирующей добавки используют летучий пентафторид тантала, нагретый до температуры не ниже 230°C - температуры, близкой к температуре кипения пентафторида тантала.

В качестве легирующей добавки используют летучий тетрафторид титана, нагретый до температуры не ниже 286°C - температуры, близкой к температуре кипения тетрафторида титана.

В качестве легирующей добавки используют летучий тетраиодид циркония, нагретый до температуры не ниже 418°C - температуры, близкой к температуре кипения тетраиодида циркония.

В качестве легирующей добавки используют летучий тетраиодид гафния, нагретый до температуры не ниже 418°C - температуры, близкой к температуре кипения тетраиодида гафния.

В качестве легирующей добавки используют летучий трииодид лантана, нагретый до температуры не ниже 1580°C - температуры, близкой к температуре кипения трииодида лантана.

Также предложено устройство для изготовления эмиттера электронов из вольфрама с легирующими добавками, состоящее из лазера, вакуумной камеры с оптическими окнами для ввода и вывода лазерного луча, патрубка для отвода реакционных газов, соединенного с фильтром, патрубка подачи водорода и летучих соединений вольфрама и легирующих добавок, при этом внутри камеры на оси лазерного луча перпендикулярно к нему установлена подложка, выполненная из вольфрама и закрепленная на держателе, установленного с возможностью перемещения по направлению лазерного луча.

Перемещение осуществляют с помощью позиционирующего устройства, установленного на вакуумной камере.

Держатель выполнен в виде катодного элемента с центральным углублением, по форме и размерам соответствующем эмиттеру.

В этом случае подложка, выполненная в виде вольфрамового диска, расположена на дне углубления катодного элемента.

В этом случае диаметр лазерного луча равен диаметру углубления.

Вакуумная камера может быть выполнена из монель-металла.

Кроме того, патрубок подачи водорода и летучих соединений вольфрама и легирующих добавок соединен с инжектором, расположенным в камере, выходной конец которого расположен вблизи углубления в катодном элементе.

Кроме того, за фильтром может быть установлен абсорбер для улавливания фторида водорода и колонна для улавливания йода или йодида водорода.

На фиг.1 дана общая схема устройства, где 1 - лазер; 2 - луч лазера; 3 - оптическое окно; 4 - вакуумная камера; 5 - патрубок ввода реагентов; 6 - смеситель; 7 - трубопровод; 8, 15, 18 - расходомеры; 9, 14, 17, 20, 25 - вентили; 10 - контейнер с гексафторидом вольфрама; 11, 12 - нагреватели; 13 - контейнер с фторидом (иодидом) легирующей добавки; 16 - мановакуумметр; 19 - патрубок отвода реакционных газов; 21 - металлокерамический фильтр; 22 - позиционирующее устройство; 23 - абсорбер; 24 - патрубок отвода выхлопных газов; 26 - к вакуумной магистрали.

На фиг.2 показана схема изготовления эмиттера электронов на держателе в виде катодного элемента, где

27 - катодный элемент; 28 - полость охлаждения катода; 29 - вольфрамовый диск; 30 - инжектор для ввода реагентов внутрь углубления катодного элемента.

Процесс изготовления эмиттеров основан на использовании обработки лучом лазера поверхности подложки, к которой непрерывно подводят смесь летучего гексафторида вольфрама с водородом, к которой примешано в заданном соотношении летучее соединение легирующего вольфрам элемента.

Лазерный луч можно формировать с помощью CO₂-лазера, работающего на длине волны 10.6 микрон, или с помощью Ar⁺-лазера, работающего на длине волны 514 нм, или с помощью Ar⁺-лазера, работающего на длине волны 480 нм, или с помощью Kr⁺-лазера, работающего на длине волны 647.1 нм, или с помощью рубинового лазера, работающего на длине волны 1000 нм.

В качестве летучего соединения легирующей примеси используют летучие фториды или редких металлов с более низкой работой выхода, чем у вольфрама или сравнительно летучие и термодинамически нестойкие в условиях лазерной обработки иодиды легирующих металлов. Луч лазера, сконцентрированный на подложке, нагревает ее до достаточно высокой температуры; к этому участку подводят стехиометрическую гомогенно перемешанную смесь гексафторида вольфрама с водородом и с летучим соединением легирующего вольфрам металла. Подложка для выращивания вольфрамового эмиттера электронов из смеси гексафторида вольфрама, водорода и летучего фторида (иодида) легирующего металла при лазерном нагреве может представлять собой тонкий диск из вольфрама, закрывающий дно углубления в катодном элементе или проволоку из вольфрама. По мере увеличения размера наносимого материала эмиттера пятно лазерного луча должно смещаться, что достигается перемещением камеры относительно лазера.

При этом происходит одновременное восстановление вольфрама и легирующего металла и осаждение на подложку сплава в конечном итоге в виде цилиндрического эмиттера из вольфрама, гомогенно легированного металлом присадки. В качестве примера рассмотрим процесс легирования вольфрама молибденом или получения вольфрам-молибденового сплава. Этот процесс описывается уравнением:

,

где W(nMo) - это или сплав вольфрама с молибденом или, при сравнительно небольшом парциальном давлении гексафторида молибдена, вольфрам, гомогенно легированный молибденом, имеющим работу выхода ниже, чем чистый вольфрам.

В качестве легирующих вольфрам (e =4.54 эВ) металлов использованы: молибден (e =4.3 эВ) в виде летучего гексафторида молибдена, тантал (e =4.12 эВ) в виде летучего пентафторида тантала, ниобий (e =3.99 эВ) в виде летучего пентафторида ниобия, титан (e =3.95 эВ) в виде летучего тетрафторида титана, цирконий (e =3.9 эВ) и гафний (e =3.53 эВ) в виде летучих иодидов циркония и гафния, лантан (e =3.3 эВ) в виде паров трииодида лантана. При необходимости возможно использовать в качестве легирующей присадки алюминий (e =4.25 эВ) в виде летучего трииодида алюминия, олово (e =4.38 эВ) в виде летучего тетраиодида олова.

В Таблице 1 суммированы физические свойства вольфрама, легирующих вольфрам металлов и их исходных сырьевых материалов; на основании этих данных определяются исходные параметры процессов получения вольфрамовых эмиттеров электронов, легированный присадками с более низкой работой выхода электронов.

Способ осуществляется следующим образом.

В предварительно вакуумированную камеру 4, которая может быть выполнена из монель-металла, коррозионно-стойкого к фтору и фторидам, с расположеной в ней подложкой, например, вольфрамовым диском 29, установленным на держателе, например, катодном элементе 27, снизу вводят через патрубок 5 с расходомером 18 смесь соответствующего летучего фторида с водородом так, чтобы она была направлена к подложке. В верхней части камеры размещен патрубок 19 для отвода реакционных газов. В передней стенке камеры выполнено окно 3 из оптически прозрачного и коррозионно-стойкого материала для ввода луча 2 лазера 1 (два других окна расположены на других стенках камеры); камера может быть расположена на позиционирующем устройстве 22, дающем возможность перемещать ее по трем координатным осям. Для вакуумирования использовали вакуумную магистраль 26 с вентилем 25.

Конденсированный гексафторид вольфрама в контейнере 10 переводили в газообразное состояние, нагревая его с помощью нагревателя 11, и подавали через вентиль 9 и расходомер 8 по трубопроводу 7 в смеситель 6. Туда же подавали из контейнера 13 с нагревателем 12 фторид или иодид легирующей добавки через вентиль 14 и расходомер 15.

В смеситель 6 подавали расчетное количество водорода через вентиль 17 и расходомер водорода 18, чтобы получить гомогенную газовую смесь заданного состава. Температура смесителя 6 должна быть всегда выше температуры испарителя гексафторида вольфрама и соответствовать температуре испарения или сублимации фторида или иодида легирующей добавки (Таблица 1) с учетом требуемого парциального давления этой добавки. Это же относится к температуре самой вакуумной камеры и соединительным трубопроводам. Давление в коммуникациях измеряют мановакуумметрам 16. Реакционная смесь может подаваться через инжектор 30 непосредственно в углубление в катодном элементе.

В процессе выращивания эмиттера электронов образуются побочные продукты восстановления, состоящие, в основном, из газообразного фторида водорода. Они направляются из камеры 4 через патрубок 19, например, в металлокерамический анизотропный фильтр 21. Фторид водорода улавливается полностью или в абсорбере 23, или в сорбционной колонне, заполненной гранулами твердого фторидного сорбента. При использовании иодидов легирующих элементов во фтористоводородном выхлопе появляются примеси йода или йодистого водорода; в этом случае, кроме абсорбера (сорбционной колонны) 23, устанавливают дополнительную колонну для улавливания йода или йодида водорода (например, конденсатор, охлаждаемый соответствующим хладоагентом, не показана). Далее продукты выхлопа отводятся по магистрали 24.

Процесс выращивания эмиттера электронов протекает следующим образом. Включают нагрев контейнеров 10 и 13, вакуумируют камеру 4 и все коммуникации, включают лазер 1. Луч лазера 2 направляют через оптическое окно 3 на медный катодный элемент 27, по центру которого выточено углубление - цилиндрический канал с заданными размерами для выращивания в нем эмиттера электронов.

Из-за высокой теплопроводности меди на дно канала плотно запрессован тонкий диск из вольфрама 29, на поверхность диска направляют луч лазера так, чтобы его диаметр совпадал с диаметром диска. В катодном элементе выполнена полость для охлаждения 28.

На диске из вольфрама 29 начинается процесс осаждения вольфрама с легирующими добавками.

Процесс формирования эмиттера протекает при постепенном удалении формируемой поверхности от лазера. Скорость удаления соответствует скорости осаждения материала эмиттера.

Смесь (WF₆+xH₂+MeHal_n), имеющая стехиометрический состав относительно вольфрама, водорода и легирующих компонентов, поступает из смесителя 6 через патрубок 5 и впрыскивается инжектором 30 с такой скоростью, чтобы достигнуть дна катодного элемента 27 в пятне лазерного луча. Оценки скоростей лазерного процесса показывают, что время, за которое смесь должна достигнуть субстрата, находится в пределе 0.001-0.01 с.

Газовая смесь должна быть прозрачной для лазера. Анализ спектров поглощения газообразных фторидов вольфрама, молибдена, тантала и остальных металлов показывает, что для изготовления перечисленных выше электронных эмиттеров можно использовать ряд лазеров:

- CO₂-лазер, работающий на длине волны 10.6 микрон;

- Ar⁺-лазер, работающий на длине волны 514 нм и на длине волны 480 нм;

- Kr⁺ -лазер, работающий на длине волны 647.1 нм;

- рубиновый лазер, работающий на длине волны 1000 нм;

Чтобы обеспечить движение камеры по трем координатным осям, она оборудована микропозиционирующим устройством Burleigh X-Y-Z, имеющим линейную точность перемещения лучше 0.1 микрона.

Пример 1

Реактор, представленный схематически на Фиг.1, 2, использован для изготовления катодных элементов электродуговых плазмотронов мощностью 100-200 кВт, снабженных электронным эмиттером, выполненным из сплава вольфрама с молибденом, в котором 80% вес. вольфрама и 20% молибдена. Работа выхода вольфрама (e =4.54 эВ) для легирования вольфрама использовали молибден (e =4.3 эВ). Исходное сырье для легирования - гексафторид молибдена. Размеры цилиндрического канала в медном держателе - катодном элементе: 4 мм в диаметре 20 мм длина, на дно канала плотно запрессован диск, выполненный из вольфрама. Размер медного катодного элемента - 20 мм в диаметре, 40 мм длина. Размеры вакуумной камеры реактора 60×60×60 мм. Диаметр каждого из 3-х оптических окон камеры - 40 мм. Камера закреплена в микропозиционирующем устройстве Burleigh X-Y-Z, имеющим линейную точность выше 0.1 микрона.

Температура контейнера с гексафторидом вольфрама 18 C; температура контейнера с гексафторидом молибдена, смесителя, соединительных коммуникаций и стенок реактора 40 С. Реактор был перед началом процесса вакуумирован до остаточного давления ~0.001 Па. Процесс осаждения легированного вольфрама вели в непрерывном режиме.

Для работы использовали CO₂-лазер, работающий на длине волны 10.6 микрон; мощность лазера - 0.705-1.310 кВт.

Температура вольфрамового диска в пятне фокуса лазерного луча составляла 810°C при мощности 1.310 кВт, давление в реакторе после ввода туда стехиометрической смеси гексафторидов вольфрама, молибдена и водорода - 90 кПа. В этих условиях осаждается поликристаллический вольфрам и молибден со скоростью ~120 µм/мин. С такой же скоростью микропозиционирующее устройство отодвигало реактор от лазера, так чтобы фокус лазерного луча концентрировался все время на поверхности эмиттера. ТЕМ-микрофотографии поликристалла, извлеченного из канала, показывают, что зерна достигают ~10 µм, т.е. выращиваемая заготовка имела нанокристаллическую структуру. Длина эмиттера составила в конечном итоге 20 мм, диаметр 4 мм. Полное время выращивания - 198 мин=3.3 час.

Морфологию полученного изделия определяли с помощью сканирующего (растрового) электронного микроскопа. Для определения фазового состава изделия используют просвечивающую электронную микроскопию (ТЕМ - Transmission Electron Microscopy), позволяющую определять распределение фаз. Установлено, что молибден распределялся гомогенно в теле электронного эмиттера и по диаметру, и по длине.

Работу выхода электронов из выращенного (W-Mo) - сплава определяли методом контактной разности потенциалов (КРП). Установлено, что в процессе работы катода работа выхода электрона соответствовала расчетной величине 4.2 эВ.

Пример 2

Реактор, представленный схематически на Фиг.1, 2, использован для изготовления катодных элементов электродуговых плазмотронов мощностью 100-200 кВт, снабженных электронным эмиттером, выполненным из сплава вольфрама с танталом, в котором 80% вес. вольфрама и 20% тантала. Работа выхода вольфрама (e =4.54 эВ) для легирования вольфрама использовали тантал (e =4.12 эВ). Исходное сырье для легирования - пентафторид тантала. Размеры цилиндрического канала в медном держателе - катодном элементе: 4 мм в диаметре 20 мм длина, на дно канала плотно запрессован диск, выполненный из вольфрама. Размер медного катодного элемента 20 мм в диаметре, 40 мм длина. Размеры камеры реактора 60×60×60 мм. Диаметр каждого из 3-х оптических окон камеры - 40 мм. Температура контейнера с гексафторидом вольфрама 18 C; температура контейнера с пентафторидом тантала, смесителя, соединительных коммуникаций и стенок лазерного реактора 230°C. Реактор был перед началом процесса вакуумирован до остаточного давления ~10^-3 Па. Процесс осаждения легированного вольфрама вели в непрерывном режиме. Для работы использовали CO₂-лазер, работающий на длине волны 10.6 микрон; мощность лазера - 0.705-1.310 кВт.

Температура вольфрамового диска в пятне фокуса лазерного луча составляла при мощности 1.310 кВт 813°C, давление в реакторе после ввода туда стехиометрической смеси гексафторида вольфрама, пентафторида тантала и водорода - 89 кПа. В этих условиях одновременно осаждается поликристаллический вольфрам и тантал со скоростью 110 µм/мин. С такой же скоростью микропозиционирующее устройство отодвигало реактор от лазера, так чтобы фокус лазерного луча концентрировался все время на поверхности эмиттера. ТЕМ-микрофотографии поликристалла показывают, что зерна достигают ~10 µм, т.е. выращиваемый эмиттер имел нанокристаллическую структуру. Длина микростержня составила в конечном итоге 20 мм, диаметр 4 мм. Время выращивания стержня - 242 мин=4.03 час.

Установлено, что в процессе работы катода, полученного поликристаллического сплава W-Ta работа выхода электрона соответствовала расчетной величине 4.12 эВ.

Пример 3

Реактор, представленный схематически на Фиг.1, 2, использован для изготовления катодных элементов электродуговых плазмотронов мощностью 100-200 кВт, снабженных электронным эмиттером, выполненным из сплава вольфрама с гафнием, в котором 87% вес. вольфрама и 13% гафния. Работа выхода вольфрама (e =4.54 эВ) для легирования вольфрама использовали гафний (e =3.53 эВ). Исходное сырье для легирования - тетраиодид гафния. Размеры цилиндрического канала в медном держателе катодного элемента: 4 мм в диаметре, 20 мм длина, на дно канала плотно запрессована шайба, выполненная из вольфрама.

Условия проведения процесса и размеры катода, как в предыдущих примерах. Температура контейнера с гексафторидом вольфрама 18 C; температура контейнера с тетраиодидом гафния, смесителя, соединительных коммуникаций и стенок лазерного реактора 400°C. Температура вольфрамового диска в пятне фокуса лазерного луча составляла при мощности 1.310 кВт 817°C, давление в лазерном реакторе после ввода туда стехиометрической смеси гексафторида вольфрама, тетраиодида гафния и водорода - 89 кПа. В этих условиях одновременно осаждается поликристаллический вольфрам и гафний со скоростью 145 µм/мин. С такой же скоростью микропозиционирующее устройство отодвигало реактор от лазера. ТЕМ - микрофотографии поликристалла показывают, что зерна достигают ~10 µм, т.е. выращенный эмиттер имела нанокристаллическую структуру. Длина эмиттера составила в конечном итоге 20 мм, диаметр 4 мм. Время выращивания стержня - 188 мин=3.13 час.

Установлено, что в процессе работы катода, полученного поликристаллического сплава W-Hf работа выхода электрона соответствовала расчетной величине 3.53 эВ.

Таким образом, данное изобретение позволит в одном технологическом процессе получать эмиттеры для термоэмиссионных элементов электродуговых катодов генераторов плазмы и термоэмиссионных катодов электровакуумных или газонаполненных приборов, являющихся источником электронов. При этом повышается ресурс работы вольфрамовых эмиттеров электронов за счет гомогенного распределения легирующих добавок с более низкой, чем у вольфрама, работой выхода электронов, снижается эрозия эмиттера за счет исключения окисления, появляется возможность регулирования концентрации легирующих добавок, регулирование структуры вольфрама.