RU2176118C1

RU2176118C1 - Electronic device electrode

Info

Publication number: RU2176118C1
Application number: RU2000116196A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Анисимов; Ю.В. Киселев; Е.В. Круглова
Original assignee: Рязанская государственная радиотехническая академия
Priority date: 2000-06-19
Filing date: 2000-06-19
Publication date: 2001-11-20

Abstract

FIELD: emissive electronics; cold, heater, and filamentary cathodes for various electronic and ionic devices. SUBSTANCE: electrode has base covered with active material including alloys of alkali and/or alkali-earth metals with solvent-metal whose melting point is higher than that of alkali or alkali-earth metals; upon treatment with oxygen, fluorine, or chlorine active material has in its composition 0.5-50% of non-oxidized alkali or alkali-earth metals. EFFECT: optimized composition of electrode coating. 5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области эмиссионной электроники и газоразрядной техники и может быть использовано в вакуумных и газонаполненных электронных приборах и устройствах в качестве холодных или подогревных катодов. The invention relates to the field of emission electronics and gas discharge technology and can be used in vacuum and gas-filled electronic devices and devices as cold or heated cathodes.

Известен разрядник [1] , у которого в качестве активного вещества используются галогениды щелочноземельных металлов (ЩЗМ). A known arrester [1], in which alkaline earth metal halides (alkaline earth metals) are used as the active substance.

Известен оксидный катод [2], у которого формирование эмиссионного слоя, то есть получение ионных (окрашенных) кристаллов со свойствами примесного полупроводника, происходит путем термической и токовой активировки. Known oxide cathode [2], in which the formation of the emission layer, that is, the production of ionic (colored) crystals with the properties of an impurity semiconductor, occurs by thermal and current activation.

Недостатком данных катодов является необходимость высокотемпературной активировки эмиссионного вещества в вакууме или водороде для получения необходимых вторично-эмиссионных свойств, что неприемлемо для ряда миниатюрных, бесштенгельных приборов. Отсутствие в составе катода восстановительных ЩЗМ приводит к ярко выраженному эффекту Мальтера, что отрицательно сказывается на стабильности параметров газоразрядных приборов (увеличение разброса статического напряжения пробоя, повышение потенциала погасания, увеличение эрозии активного вещества электрода). The disadvantage of these cathodes is the need for high-temperature activation of the emission substance in vacuum or hydrogen to obtain the necessary secondary emission properties, which is unacceptable for a number of miniature, rodless devices. The absence of reducing alkaline earth metals in the cathode leads to a pronounced Malter effect, which negatively affects the stability of the parameters of gas-discharge devices (an increase in the spread of the static breakdown voltage, an increase in the extinction potential, and an increase in the erosion of the active substance of the electrode).

Данные недостатки ставят задачу оптимизации состава покрытия электродов электронных и ионных приборов, в частности искровых разрядников. These shortcomings set the task of optimizing the coating composition of the electrodes of electronic and ionic devices, in particular spark gaps.

Решение данной технической задачи достигается тем, что активное вещество (эмиссионное покрытие) электрода, состоящее из сплава щелочных ЩМ или/и ЩЗМ с металлами-растворителями, имеющими большую температуру плавления, чем используемые ЩМ или/и ЩЗМ, после обработки газом (например, кислород, хлор, фтор), содержит 0,5-50 ат.% неокисленного ЩМ или ЩЗМ. При необходимости, для более равномерного распределения компонентов в активном веществе, оно подвергается термической или/и токовой обработке до выхода на поверхность электрода неокисленных ЩМ или ЩЗМ. The solution to this technical problem is achieved by the fact that the active substance (emission coating) of the electrode, consisting of an alkaline alkali metal alloy and / or alkali metal alloy with solvent metals having a higher melting point than used alkaline alkali metal and / or alkali metal oxide, after treatment with gas (for example, oxygen , chlorine, fluorine), contains 0.5-50 at.% unoxidized alkali phosphate or alkaline phosphatase. If necessary, in order to more evenly distribute the components in the active substance, it is subjected to heat and / or current treatment until unoxidized alkali metal or alkali metal oxide comes to the electrode surface.

Использование предложенного решения позволяет снизить эрозию активного вещества электродов, и за счет исключения эффекта Мальтера стабилизировать параметры защитных газонаполненных разрядников (уменьшить разброс статического напряжения пробоя, увеличить потенциал погасания). Using the proposed solution can reduce the erosion of the active substance of the electrodes, and due to the exclusion of the Malter effect, stabilize the parameters of protective gas-filled arresters (reduce the spread of static breakdown voltage, increase the extinction potential).

Для проверки вышеизложенных положений использовались макеты разрядников, конструкция которых приведена на фиг. 1. To check the above positions, we used mock arresters, the design of which is shown in FIG. 1.

Разрядник состоит из двух кернов 1, на торцы которых нанесено активное вещество 4. Для устранения явления первого пробоя на внутреннюю поверхность изолятора 2 нанесен изотоп 3 в виде сернокислой соли Ni63. В качестве рабочего газа использовался Ar. The arrester consists of two cores 1, the ends of which are coated with the active substance 4. To eliminate the phenomenon of the first breakdown, an isotope 3 is applied in the form of sulfate salt Ni63 on the inner surface of insulator 2. Ar was used as the working gas.

На фиг. 2а представлена конструкция электродов, в которых активное вещество 4 на керн 1 наносилось методом вакуумного осаждения. К примеру, активное вещество на основе сплава ЩЗМ с медью получали как одновременным испарением компонентов, так и послойным напылением компонентов с последующим диффузионным отжигом. В качестве материала керна 1 использовался или молибден, или железоникелевый сплав. В последнем случае для уменьшения диффузии компонентов покрытия вглубь керна, происходящей в процессе технологических обработок, активное вещество наносилось на подслой 5 выполненный из молибдена (фиг. 2б). Это способствовало сохранению процентного состава эмиссионного покрытия, толщина которого составляла 1-5 мкм. Для уменьшения взаимодействия активного вещества с атмосферными газами во время технологических переходов на ее поверхность наносился защитный слой 6, выполненный из вещества, не взаимодействующего с компонентами покрытия (фиг. 2в). In FIG. 2a shows the construction of electrodes in which the active substance 4 was applied to core 1 by vacuum deposition. For example, an active substance based on an alloy of SchZM with copper was obtained both by simultaneous evaporation of components and by layer-by-layer deposition of components with subsequent diffusion annealing. As the core material 1, either molybdenum or an iron-nickel alloy was used. In the latter case, in order to reduce the diffusion of the coating components deep into the core that occurs during technological treatments, the active substance was applied to a sublayer 5 made of molybdenum (Fig. 2b). This contributed to maintaining the percentage composition of the emission coating, the thickness of which was 1-5 microns. To reduce the interaction of the active substance with atmospheric gases during technological transitions, a protective layer 6 was applied to its surface, made of a substance that does not interact with the coating components (Fig. 2c).

На фиг. 3 представлена конструкция электрода, в которой таблетка активного вещества 4 припаяна к керну 1. Таблетку изготавливали путем прессования порошка выбранного сплава с усилием 2 г/см².In FIG. 3 shows the design of the electrode, in which the tablet of the active substance 4 is soldered to the core 1. The tablet was made by pressing a powder of the selected alloy with a force of 2 g / cm ² .

Собранный разрядник помещался в откачную камеру, в которой создавался вакуум не хуже чем 5•10^-5 мм Hg, затем происходило обезгаживание деталей разрядника в течение выбранного времени при установленной температуре. Далее следовали следующие операции: остывание, напуск необходимого газа для получения выбранных соединений (например, оксиды, хлориды, фториды), внутреннее окисление ЩМ или/и ЩЗМ, откачка, обезгаживание, напуск рабочего газа и герметизация разрядника/ Для выравнивания концентрации в активном веществе ЩМ и ЩЗМ проводилась термическая или/и токовая активировка до выхода последних на поверхность электрода. Это обеспечивало необходимые вторично-эмиссионные свойства поверхности электрода.The assembled arrester was placed in a pumping chamber, in which a vacuum was created no worse than 5 • 10 ^-5 mm Hg, then the arrester parts were degassed for a selected time at the set temperature. The following operations followed: cooling, inlet of the necessary gas to obtain the selected compounds (for example, oxides, chlorides, fluorides), internal oxidation of the alkali metal and / or alkali metal oxide, pumping out, degassing, inlet of the working gas and sealing of the spark gap / To equalize the concentration in the active substance of alkali metal oxide and SchZM thermal and / or current activation was carried out until the latter reached the electrode surface. This provided the necessary secondary emission properties of the electrode surface.

Диапазон исследуемых концентраций ЩМ и ЩЗМ к активном веществе катода изменялся в диапазоне 0,3-60 ат.%. Сравнительные испытания разброса параметров разрядников с электродами, покрытыми активными веществами, состоящими из сплавов литий - медь, цезий - германий, стронций - медь, барий - медь, внутренне окисленных хлором и кислородом, показали повышение стабильности статического напряжения пробоя и потенциала погасания разрядника не менее чем на 30% по сравнению с используемыми чистыми оксидами и хлоридами. При наличии в активном веществе менее 0,5% неокисленных ЩМ и ЩЗМ начинал фиксироваться эффект Мальтера. Присутствие в активном веществе более 50% неокисленных ЩМ и ЩЗМ уменьшало количество импульсов тока, выдерживаемых разрядником не менее чем на 30%, что связано с повышением эрозии ЩМ и ЩЗМ в активном веществе при дуговом разряде. The range of investigated concentrations of alkali metal and alkali metal oxide to the active substance of the cathode varied in the range of 0.3-60 at.%. Comparative tests of the scatter of the parameters of arresters with electrodes coated with active substances consisting of lithium-copper, cesium-germanium, strontium-copper, barium-copper alloys, internally oxidized by chlorine and oxygen, showed an increase in the stability of the static breakdown voltage and the extinction potential of the spark gap not less than 30% compared with used pure oxides and chlorides. In the presence in the active substance of less than 0.5% of unoxidized alkali and alkali metals, the Malter effect began to be fixed. The presence in the active substance of more than 50% of unoxidized alkali metal oxide and alkali metal oxide decreased the number of current pulses maintained by the arrester by at least 30%, which is associated with an increase in erosion of alkali metal oxide and alkali metal oxide in the active substance during an arc discharge.

Дополнительное введение в состав активного вещества 1-20 ат.%, относительно содержания в сплаве ЩМ или ЩЗМ и их соединений, активаторов (например, титан, марганец, цирконий, кремний, алюминий) дополнительно повышало стабильность параметров разрядников в течение наработки не менее чем на 15%. An additional introduction of 1–20 at.% To the active substance, relative to the content in the alloy of alkali metal alloy or alkali metal oxide and their compounds, activators (for example, titanium, manganese, zirconium, silicon, aluminum) additionally increased the stability of the parameters of the arresters during operation by at least fifteen%.

Использование активных веществ, в состав которых входили ЩМ и ЩЗМ (например, литий - стронций - медь - алюминий), позволяющие за счет гетерогенного зарождения получить более мелкие кристаллы соединений ЩМ и ЩЗМ, что повышало стабильность параметров разрядников не менее чем на 25%. Это связано с формированием более мелкой (более однородной) структуры активного вещества в процессе технологических обработок. The use of active substances, which included alkali metal oxide and alkali metal oxide (for example, lithium - strontium - copper - aluminum), which allows, due to heterogeneous nucleation, to obtain smaller crystals of alkali metal oxide and alkali metal oxide, which increased the stability of the parameters of the arresters by at least 25%. This is due to the formation of a finer (more uniform) structure of the active substance in the process of technological treatments.

Использование подслоя тугоплавкого металла, препятствующего диффузии компонентов активного вещества в материал керна, как в процессе технологических обработок, так и процессе эксплуатации, повышало ресурс работы разрядника. Так, использование подслоя молибдена при покрытии: окись бария - барий - медь, повышало количество импульсов тока, выдерживаемых разрядником, не менее чем на 20%. The use of a sublayer of refractory metal, which prevents the diffusion of the components of the active substance in the core material, both during technological treatments and in the process of operation, increased the service life of the arrester. So, the use of the molybdenum sublayer in the coating: barium oxide - barium - copper, increased the number of current pulses maintained by the spark gap by not less than 20%.

В связи с высокой химической активностью ЩМ и ЩЗМ и их окислов, для предотвращения взаимодействия с атмосферными газами при нахождении электродов на воздухе, на поверхность активного слоя наносился защитный слой. Критерием для выбора материала слоя служило отсутствие взаимодействия с компонентами покрытия. Опробовалось покрытие тонким слоем полимерной пленки, хотя эти функции могут выполнять и металлические пленки. В дальнейшем этот слой или удалялся в процессе технологических обработок (испарение легколетучей окиси молибдена в процессе дополнительного окисления), или оставался в составе электрода, выполняя уже иные функции. Например, способствовал стоку заряда с поверхностных слоев активного вещества. Due to the high chemical activity of alkali metal oxide and alkali metal oxide and their oxides, a protective layer was applied to the surface of the active layer to prevent interaction with atmospheric gases when the electrodes were in air. The criterion for choosing the layer material was the lack of interaction with the coating components. We tested the coating with a thin layer of a polymer film, although metal films can also perform these functions. Subsequently, this layer was either removed during technological processing (evaporation of the volatile molybdenum oxide in the process of additional oxidation), or remained as part of the electrode, performing other functions. For example, contributed to the drain of charge from the surface layers of the active substance.

Использование данного технического решения позволяет стабилизировать параметры газоразрядных приборов и увеличить их долговечность. Кроме того, оно позволяет формировать как холодные, так и подогревные катоды для различных типов электровакуумных и, газоразрядных приборов. The use of this technical solution allows to stabilize the parameters of gas-discharge devices and increase their durability. In addition, it allows the formation of both cold and heating cathodes for various types of electric vacuum and gas discharge devices.

Источники информации
1. А.с. N 1769668 с приоритетом от 30.09.1987 г. Защитный разрядник. // В.Ф. Анисимов, Г.А. Витренко и др.Sources of information
1. A.S. N 1769668 with priority from 09/30/1987 Protective arrester. // V.F. Anisimov, G.A. Vitrenko et al.

2. Л.Н. Добрецов, М.В. Гомоюнова. Эмиссионная электроника. М., "Наука", 1966 г., с.207. 2. L.N. Dobretsov, M.V. Gomoyunova. Emission electronics. M., "Science", 1966, p.207.

Claims

1. The electrode of an electronic device, consisting of a core and an active substance, including alloys of alkali and / or alkaline earth metals with metal solvents having a higher melting point than alkali and / or alkaline earth metals, characterized in that the active substance after processing oxygen, or chlorine, or fluorine contains 0.5-50 at. % non-oxidized alkali or alkaline earth metal.

2. The electrode of an electronic device according to claim 1, characterized in that the active substance further comprises an activator comprising 1-20 at. % of the total content in the alloy of alkali or / and alkaline earth metals and their compounds.

3. The electrode of an electronic device according to claim 1, characterized in that the active substance further comprises a molybdenum sublayer that prevents diffusion of the coating components deep into the core.

4. The electrode of the electronic device according to claim 1, characterized in that the active substance further comprises a surface polymer layer that does not interact with the coating components.

5. The electrode of the electronic device according to claim 1, characterized in that the active substance is subjected to heat or current treatment until the unoxidized alkali or alkaline earth metals reach the electrode surface.