RU2447537C1 - Method for manufacturing of electron emitters and device for its implementation - Google Patents

Method for manufacturing of electron emitters and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2447537C1
RU2447537C1 RU2010148843/05A RU2010148843A RU2447537C1 RU 2447537 C1 RU2447537 C1 RU 2447537C1 RU 2010148843/05 A RU2010148843/05 A RU 2010148843/05A RU 2010148843 A RU2010148843 A RU 2010148843A RU 2447537 C1 RU2447537 C1 RU 2447537C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tungsten
volatile
emitter
dopant
temperature
Prior art date
Application number
RU2010148843/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Николаевич Туманов (RU)
Юрий Николаевич Туманов
Геннадий Юрьевич Григорьев (RU)
Геннадий Юрьевич Григорьев
Николай Пантелеевич Зарецкий (RU)
Николай Пантелеевич Зарецкий
Михаил Валентинович Ковальчук (RU)
Михаил Валентинович Ковальчук
Борис Борисович Чайванов (RU)
Борис Борисович Чайванов
Алексей Сергеевич Майоров (RU)
Алексей Сергеевич Майоров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2010148843/05A priority Critical patent/RU2447537C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2447537C1 publication Critical patent/RU2447537C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: method for electron emitters manufacturing of wolfram with alloy additives consists of the following: mixture of wolfram hexafluoride, hydrogen and volatile fluoride or iodide of alloy additive is added to vacuum chamber in ratio corresponding to preset composition of emitter; the mixture is exposed to laser beam action and reaction products are evacuated from the chamber at that emitter is formed by deposition of reduced wolfram and alloy additive to substrate made of wolfram and located in the laser beam centre at the holder while moving the substrate in regard to laser with speed equal to the rate of wolfram and alloy additive deposition.
EFFECT: increase of electron emitters operation life due to homogenous distribution of alloy additives with lower electronic work function than the same value for wolfram; reduction of emitter erosion due to elimination of oxidation; increase of alloy additive concentration and possibility to regulate this concentration, regulation of wolfram structure, reduction of material consumption.
19 cl, 2 dwg, 1 tbl, 3 ex

Description

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.The invention relates to the manufacturing technology of macro- and micro-products - electron emitters with a reduced electron work function and with a long service life, intended for thermionic elements of electric arc cathodes of plasma generators and thermionic cathodes of vacuum or gas-filled devices that are an electron source.

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 (eφ=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.)As a material for the manufacture of thermionic elements of the cathodes of electric arc generators of technological plasma flows, as well as thermionic cathodes of vacuum or gas-filled devices, tungsten is most widely used: tungsten cathodes have the highest melting points (3420 ° C), boiling (5620 ° C), and current density thermal emission at the melting temperature, the lowest evaporation rate. In addition, tungsten has a high heat of fusion, high mechanical strength, thermal conductivity, which is especially important for the operation of cathodes in non-stationary modes. However, tungsten is characterized by a relatively high electron work function (eφ = 4.54 eV); therefore, the operation of a pure tungsten cathode requires a high temperature close to the melting temperature. The life of the electrodes is highly dependent on the operating temperature. In order to increase the service life by lowering the operating temperature, alloying additives are introduced into the tungsten, which increase the emissivity of the cathode (V.F. Gordeev, A.V. Pustogarov. Thermionic arc cathodes. - M.: Energoatomizdat, 1988, 193 p.)

В качестве таких добавок используют оксиды тория (ThO2 - eφ=3.0 eV), лантана (La2O3 - eφ=2.96 eV), иттрия (Y2O3 - eφ=3.30 eV), циркония (ZrO2 - eφ=3.97 eV), гафния (HfO2 - eφ=3.84 eV), церия (CeO2 - eφ=2.7 eV), неодима (Nd2O3 - eφ=3.88 eV), гадолиния (Gd2O3 - eφ=3.96 eV), иттербия (Yb2O3 - eφ=4.05 eV), бария (BaO).Oxides of thorium (ThO 2 - eφ = 3.0 eV), lanthanum (La 2 O 3 - eφ = 2.96 eV), yttrium (Y 2 O 3 - eφ = 3.30 eV), zirconium (ZrO 2 - eφ = 3.97 eV), hafnium (HfO 2 - eφ = 3.84 eV), cerium (CeO 2 - eφ = 2.7 eV), neodymium (Nd 2 O 3 - eφ = 3.88 eV), gadolinium (Gd 2 O 3 - eφ = 3.96 eV ), ytterbium (Yb 2 O 3 - eφ = 4.05 eV), barium (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).The formation of tungsten cathode emitters or cathodes themselves with alloying additives is a complex technological process, for example, the METHOD FOR PRODUCING METAL POROUS CATHODES is known, which involves preparing a mixture of a certain fractional composition from tungsten powder with an average grain size of 3.57 μm, pressing, sintering and impregnation with a substance emitting electrons - a dopant. The purpose of the invention is to increase the yield of suitable cathodes and uniformity of emission ability (RF Patent No. 1619727, op. 20.12.95, C22C 1/08).

В патенте РФ №2290969, оп. 10.01.07 эмиттер микронного и субмикронного уровня изготавливают из вольфрамовой проволоки фототравлением.In the patent of the Russian Federation No. 2290969, op. 01/10/07 emitter of micron and submicron level is made of tungsten wire by photo-etching.

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.In the patent of the Russian Federation No. 413753, op. 06/25/77 tungsten carbide is coated on the surface of a flat thoriated tungsten emitter by the reduction of tungsten hexafluoride with hydrogen in the presence of hydrocarbons. The emitter is then mounted inside a copper tube.

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:Also known is a method of manufacturing emitters of thermionic elements of the cathodes for electric arc plasma generators (plasmatrons). An emitter with a diameter of several millimeters and a length of 10-20 mm is machined from a tungsten billet (or tungsten with additives of oxides of lanthanum, yttrium, aluminum and other metals), which is then pressed or sealed into a centrally located cylindrical channel of a copper water-cooled cathode element (V.F. . Gordeev, AV Pustogarov. Thermionic arc cathodes. - M.: Energoatomizdat, 1988, 193 pp.) The disadvantage of this method is:

- большое количество отходов при фрезерной и/или токарной обработке стандартных заготовок вольфрама, изготовленных на металлургических заводах,- a large amount of waste during milling and / or turning of standard tungsten blanks manufactured at metallurgical plants,

- 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,- in the manufacture of an alloy of tungsten with alloying additives by metallurgical methods it is technically difficult due to segregation to obtain the optimal concentration of these additives in the emitter from the point of view of the work function,

- 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.- at operating temperatures T> 2600-2800 K, oxide additives are reduced to metal, while the released oxygen mechanically goes outside, which in itself introduces defects into the working surface of the emitter and reduces its working life. These defects are enhanced by the formation of relatively volatile tungsten oxides, which contributes to even greater erosion of the emitter.

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.A known method of producing silicon from gaseous silicon tetrafluoride, comprising exposing silicon tetrafluoride to continuous radiation of a CO 2 laser in a reaction chamber, the gaseous silicon tetrafluoride being exposed to laser radiation with a power of 2-10 kW at a pressure of 100-200 mm Hg and at the same time, hydrogen and argon are introduced into the reaction chamber during continuous circulation of these gases and the removal of gaseous reaction products, moreover, silicon is deposited inside the chamber, and the interaction of SiF 4 and H 2 is carried out at a molar ratio of 2: 1, respectively.

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).To implement this method, a device is proposed that contains a CO 2 laser with a focusing lens, a reaction chamber with optical windows for input and output of a laser beam mounted at the ends of the chamber, the introduction of gaseous silicon tetrafluoride and hydrogen into the reaction chamber is made in the form of a pipe consisting of two tubes, coaxially located one in the other, and mounted in the middle of the camera on the same axis with the focus point of the laser beam and a silicon trap, while the inner tube serves to introduce silicon trafluoride, external for introducing hydrogen, nozzles for introducing argon are installed at the edges of the reaction chamber, a nozzle for removing reaction gases is installed at the bottom of the chamber, connected to a vacuum pump and filter (RF Patent No. 2066296, C01B 33/03, publ. 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.At present, there is no technology for producing a tungsten emitter of electrons doped with additives, macro- or micro-size “by measure”, i.e. without subsequent mechanical processing, which would make it possible to obtain an emitter of a given size, composition and structure in a single technological process.

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.The technical result that the invention provides is to increase the service life of tungsten electron emitters due to the homogeneous distribution of dopants with lower electron work function than tungsten, reduce emitter erosion by eliminating oxidation, increase and the ability to control the concentration of dopants, adjust the structure tungsten, reduced material consumption.

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.To achieve this result, a method for manufacturing an electron emitter from tungsten with dopants is proposed, which consists in introducing into the vacuum chamber a mixture of tungsten hexafluoride, hydrogen and volatile fluoride or dopant iodide in a ratio corresponding to a given emitter composition, they act on the specified mixture with a laser beam and the reaction products are removed from the chamber, and an emitter is formed by depositing reduced tungsten and a dopant on a substrate made of tungsten, and displacements of the center of the laser beam on the carrier, moving the substrate relative to the laser at a rate equal to the rate of precipitation and tungsten dopant.

При этом эмиттер заданного размера формируют в углублении держателя, выполненного виде катодного элемента.In this case, an emitter of a given size is formed in the recess of the holder, made in the form of a cathode element.

В этом случае подложку в виде диска размещают на дне углубления катодного элемента.In this case, the substrate in the form of a disk is placed on the bottom of the recess of the cathode element.

Смесь гексафторида вольфрама, водорода и летучего фторида или иодида легирующей добавки инжектируют внутрь углубления в катодном элементе.A mixture of tungsten hexafluoride, hydrogen and volatile fluoride or dopant iodide is injected into the recesses in the cathode element.

Гексафторид вольфрама нагревают до 18°C - температуры, близкой к температуре кипения гексафторида вольфрама.Tungsten hexafluoride is heated to 18 ° C, a temperature close to the boiling point of tungsten hexafluoride.

В качестве легирующей добавки используют летучий гексафторид молибдена, нагретый до температуры не ниже 40°C - температуры, близкой к температуре кипения гексафторида молибдена.Volatile molybdenum hexafluoride heated to a temperature not lower than 40 ° C — a temperature close to the boiling point of molybdenum hexafluoride — is used as an alloying additive.

В качестве легирующей добавки используют летучий пентафторид ниобия, нагретый до температуры не ниже 235°C - температуры, близкой к температуре кипения пентафторида ниобия.Volatile niobium pentafluoride heated to a temperature not lower than 235 ° C — a temperature close to the boiling point of niobium pentafluoride — is used as an alloying additive.

В качестве легирующей добавки используют летучий пентафторид тантала, нагретый до температуры не ниже 230°C - температуры, близкой к температуре кипения пентафторида тантала.Volatile tantalum pentafluoride heated to a temperature not lower than 230 ° C — a temperature close to the boiling point of tantalum pentafluoride — is used as an alloying additive.

В качестве легирующей добавки используют летучий тетрафторид титана, нагретый до температуры не ниже 286°C - температуры, близкой к температуре кипения тетрафторида титана.As a dopant, volatile titanium tetrafluoride is used, heated to a temperature not lower than 286 ° C, a temperature close to the boiling point of titanium tetrafluoride.

В качестве легирующей добавки используют летучий тетраиодид циркония, нагретый до температуры не ниже 418°C - температуры, близкой к температуре кипения тетраиодида циркония.As a dopant, volatile zirconium tetraiodide is used, heated to a temperature not lower than 418 ° C - a temperature close to the boiling point of zirconium tetraiodide.

В качестве легирующей добавки используют летучий тетраиодид гафния, нагретый до температуры не ниже 418°C - температуры, близкой к температуре кипения тетраиодида гафния.As a dopant, volatile hafnium tetraiodide is used, heated to a temperature not lower than 418 ° C - a temperature close to the boiling point of hafnium tetraiodide.

В качестве легирующей добавки используют летучий трииодид лантана, нагретый до температуры не ниже 1580°C - температуры, близкой к температуре кипения трииодида лантана.As a dopant, volatile lanthanum triiodide is used, heated to a temperature not lower than 1580 ° C - a temperature close to the boiling point of lanthanum triiodide.

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.Also proposed is a device for the manufacture of an emitter of electrons from tungsten with dopants, consisting of a laser, a vacuum chamber with optical windows for input and output of a laser beam, a pipe for the removal of reaction gases connected to the filter, a pipe for supplying hydrogen and volatile compounds of tungsten and dopants, at the same time, inside the chamber, on the axis of the laser beam, a substrate made of tungsten and mounted on a holder mounted to move in the direction perpendicular to it is mounted the laser beam.

Перемещение осуществляют с помощью позиционирующего устройства, установленного на вакуумной камере.The movement is carried out using a positioning device mounted on a vacuum chamber.

Держатель выполнен в виде катодного элемента с центральным углублением, по форме и размерам соответствующем эмиттеру.The holder is made in the form of a cathode element with a central recess corresponding in shape and size to the emitter.

В этом случае подложка, выполненная в виде вольфрамового диска, расположена на дне углубления катодного элемента.In this case, the substrate, made in the form of a tungsten disk, is located at the bottom of the recess of the cathode element.

В этом случае диаметр лазерного луча равен диаметру углубления.In this case, the diameter of the laser beam is equal to the diameter of the recess.

Вакуумная камера может быть выполнена из монель-металла.The vacuum chamber can be made of monel metal.

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.In addition, the supply pipe of hydrogen and volatile compounds of tungsten and alloying additives is connected to the injector located in the chamber, the output end of which is located near the recess in the cathode element.

Кроме того, за фильтром может быть установлен абсорбер для улавливания фторида водорода и колонна для улавливания йода или йодида водорода.In addition, an absorber for trapping hydrogen fluoride and a column for trapping iodine or hydrogen iodide can be installed behind the filter.

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.Figure 1 is a General diagram of the device, where 1 is a laser; 2 - laser beam; 3 - optical window; 4 - a vacuum chamber; 5 - pipe input reagents; 6 - mixer; 7 - pipeline; 8, 15, 18 - flowmeters; 9, 14, 17, 20, 25 - valves; 10 - a container with tungsten hexafluoride; 11, 12 - heaters; 13 - container with a fluoride (iodide) dopant; 16 - manovacuum meter; 19 - pipe outlet of the reaction gases; 21 - cermet filter; 22 - positioning device; 23 - an absorber; 24 - pipe exhaust; 26 - to the vacuum line.

На фиг.2 показана схема изготовления эмиттера электронов на держателе в виде катодного элемента, гдеFigure 2 shows a manufacturing diagram of an electron emitter on a holder in the form of a cathode element, where

27 - катодный элемент; 28 - полость охлаждения катода; 29 - вольфрамовый диск; 30 - инжектор для ввода реагентов внутрь углубления катодного элемента.27 - cathode element; 28 — cathode cooling cavity; 29 - tungsten disk; 30 - injector for introducing reagents into the recesses of the cathode element.

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.The manufacturing process of emitters is based on the use of laser beam treatment of the substrate surface, to which a mixture of volatile tungsten hexafluoride with hydrogen is continuously supplied, to which a volatile compound of a tungsten alloying element is mixed in a predetermined ratio.

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.The laser beam can be formed using a CO 2 laser operating at a wavelength of 10.6 microns, or using an Ar + laser operating at a wavelength of 514 nm, or using an Ar + laser operating at a wavelength of 480 nm, or with using a Kr + laser operating at a wavelength of 647.1 nm, or using a ruby laser operating at a wavelength of 1000 nm.

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.Volatile fluorides or rare metals with a lower work function than tungsten or relatively volatile and thermodynamically unstable metal alloy iodides are used as a volatile compound of a dopant. A laser beam concentrated on a substrate heats it to a sufficiently high temperature; a stoichiometric homogeneously mixed mixture of tungsten hexafluoride with hydrogen and a volatile compound of a tungsten alloying metal is brought to this site. The substrate for growing a tungsten electron emitter from a mixture of tungsten hexafluoride, hydrogen and volatile fluoride (iodide) alloy metal during laser heating can be a thin tungsten disk covering the bottom of the recess in the cathode element or a tungsten wire. As the size of the applied material of the emitter increases, the spot of the laser beam should shift, which is achieved by moving the camera relative to the laser.

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:In this case, the tungsten and the alloying metal are simultaneously reduced and the alloy is ultimately deposited on the substrate in the form of a cylindrical emitter of tungsten homogeneously alloyed with the additive metal. As an example, consider the process of alloying tungsten with molybdenum or producing a tungsten-molybdenum alloy. This process is described by the equation:

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

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.where W (nMo) is either an alloy of tungsten with molybdenum or, at a relatively low partial pressure of molybdenum hexafluoride, tungsten homogeneously doped with molybdenum having a lower work function than pure tungsten.

В качестве легирующих вольфрам (eφ=4.54 эВ) металлов использованы: молибден (eφ=4.3 эВ) в виде летучего гексафторида молибдена, тантал (eφ=4.12 эВ) в виде летучего пентафторида тантала, ниобий (eφ=3.99 эВ) в виде летучего пентафторида ниобия, титан (eφ=3.95 эВ) в виде летучего тетрафторида титана, цирконий (eφ=3.9 эВ) и гафний (eφ=3.53 эВ) в виде летучих иодидов циркония и гафния, лантан (eφ=3.3 эВ) в виде паров трииодида лантана. При необходимости возможно использовать в качестве легирующей присадки алюминий (eφ=4.25 эВ) в виде летучего трииодида алюминия, олово (eφ=4.38 эВ) в виде летучего тетраиодида олова.The following metals were used as alloying tungsten (eφ = 4.54 eV): molybdenum (eφ = 4.3 eV) in the form of volatile molybdenum hexafluoride, tantalum (eφ = 4.12 eV) in the form of volatile tantalum pentafluoride, niobium (eφ = 3.99 eV) in the form of volatile pentafluoride niobium, titanium (eφ = 3.95 eV) in the form of volatile titanium tetrafluoride, zirconium (eφ = 3.9 eV) and hafnium (eφ = 3.53 eV) in the form of volatile zirconium and hafnium iodides, lanthanum (eφ = 3.3 eV) in the form of lanthanum triiodide vapor . If necessary, it is possible to use aluminum (eφ = 4.25 eV) in the form of volatile aluminum triiodide and tin (eφ = 4.38 eV) in the form of volatile tin tetraiodide as an alloying additive.

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.Table 1 summarizes the physical properties of tungsten, alloying tungsten metals and their starting materials; Based on these data, the initial parameters of the processes for producing tungsten electron emitters doped with additives with a lower electron work function are determined.

Figure 00000002
Figure 00000002

Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.

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.Into a pre-evacuated chamber 4, which can be made of monel metal, corrosion-resistant to fluoride and fluoride, with a substrate located in it, for example, a tungsten disk 29 mounted on a holder, for example, a cathode element 27, it is introduced from below through a pipe 5 with a flow meter 18, a mixture of the corresponding volatile fluoride with hydrogen so that it is directed towards the substrate. In the upper part of the chamber is placed a pipe 19 for the removal of reaction gases. In the front wall of the chamber, a window 3 is made of optically transparent and corrosion-resistant material for introducing a beam 2 of laser 1 (two other windows are located on other walls of the chamber); the camera can be located on the positioning device 22, making it possible to move it along three coordinate axes. For evacuation used a vacuum pipe 26 with valve 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.The condensed tungsten hexafluoride in the container 10 was brought into a gaseous state by heating it using a heater 11, and fed through a valve 9 and a flow meter 8 through a pipe 7 to a mixer 6. There, fluoride or dopant iodide from a container 13 was supplied through a valve 14 and a flow meter 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.The calculated amount of hydrogen was supplied to the mixer 6 through the valve 17 and the hydrogen flow meter 18 to obtain a homogeneous gas mixture of a given composition. The temperature of the mixer 6 should always be higher than the temperature of the evaporator of tungsten hexafluoride and should correspond to the temperature of evaporation or sublimation of the fluoride or iodide of the dopant (Table 1) taking into account the required partial pressure of this additive. The same applies to the temperature of the vacuum chamber itself and the connecting pipes. The pressure in the communications is measured by manovacuum meters 16. The reaction mixture can be fed directly through the injector 30 into a recess in the cathode element.

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.In the process of growing an electron emitter, reduction by-products are formed, consisting mainly of gaseous hydrogen fluoride. They are sent from the chamber 4 through a pipe 19, for example, to a cermet anisotropic filter 21. Hydrogen fluoride is trapped completely either in the absorber 23 or in a sorption column filled with granules of a solid fluoride sorbent. When iodides of alloying elements are used, impurities of iodine or hydrogen iodide appear in the hydrofluoric exhaust; in this case, in addition to the absorber (sorption column) 23, an additional column is installed for collecting iodine or hydrogen iodide (for example, a condenser cooled by an appropriate refrigerant is not shown). Further, exhaust products are discharged along line 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.The process of growing an electron emitter proceeds as follows. They turn on the heating of containers 10 and 13, vacuum the chamber 4 and all communications, turn on the laser 1. The laser beam 2 is directed through an optical window 3 to a copper cathode element 27, in the center of which a recess is machined - a cylindrical channel with specified dimensions for growing an electron emitter in it.

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.Due to the high thermal conductivity of copper, a thin tungsten disk 29 is densely pressed onto the channel bottom, and a laser beam is directed onto the surface of the disk so that its diameter matches the diameter of the disk. A cooling cavity 28 is made in the cathode element.

На диске из вольфрама 29 начинается процесс осаждения вольфрама с легирующими добавками.On the disk of tungsten 29 begins the process of deposition of tungsten with alloying additives.

Процесс формирования эмиттера протекает при постепенном удалении формируемой поверхности от лазера. Скорость удаления соответствует скорости осаждения материала эмиттера.The emitter formation process proceeds with a gradual removal of the formed surface from the laser. The removal rate corresponds to the deposition rate of the emitter material.

Смесь (WF6+xH2+MeHaln), 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.The mixture (WF 6 + xH 2 + MeHal n ), having a stoichiometric composition with respect to tungsten, hydrogen and alloying components, enters from the mixer 6 through the nozzle 5 and is injected by the injector 30 at such a speed that it reaches the bottom of the cathode element 27 in the spot of the laser beam. Estimates of the speeds of the laser process show that the time for which the mixture must reach the substrate is in the range of 0.001-0.01 s.

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:The gas mixture must be transparent to the laser. Analysis of the absorption spectra of gaseous fluorides of tungsten, molybdenum, tantalum and other metals shows that a number of lasers can be used to fabricate the above electronic emitters:

- CO2-лазер, работающий на длине волны 10.6 микрон;- CO 2 laser operating at a wavelength of 10.6 microns;

- Ar+-лазер, работающий на длине волны 514 нм и на длине волны 480 нм;- Ar + laser operating at a wavelength of 514 nm and a wavelength of 480 nm;

- Kr+-лазер, работающий на длине волны 647.1 нм;- Kr + laser operating at a wavelength of 647.1 nm;

- рубиновый лазер, работающий на длине волны 1000 нм;- ruby laser operating at a wavelength of 1000 nm;

Чтобы обеспечить движение камеры по трем координатным осям, она оборудована микропозиционирующим устройством Burleigh X-Y-Z, имеющим линейную точность перемещения лучше 0.1 микрона.To ensure camera movement along three coordinate axes, it is equipped with a Burleigh X-Y-Z micro-positioning device, which has a linear accuracy of movement better than 0.1 microns.

Пример 1Example 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 (eφ=4.54 эВ) для легирования вольфрама использовали молибден (eφ=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.The reactor, shown schematically in FIGS. 1, 2, is used for the manufacture of cathode elements of 100-200 kW electric arc plasmatrons equipped with an electronic emitter made of an alloy of tungsten with molybdenum, in which 80% by weight. tungsten and 20% molybdenum. The work function of tungsten (eφ = 4.54 eV) was used to dope tungsten with molybdenum (eφ = 4.3 eV). The raw material for alloying is molybdenum hexafluoride. The dimensions of the cylindrical channel in a copper holder - cathode element: 4 mm in diameter 20 mm length, a disk made of tungsten is tightly pressed into the bottom of the channel. The size of the copper cathode element is 20 mm in diameter, 40 mm in length. The dimensions of the vacuum chamber of the reactor are 60 × 60 × 60 mm. The diameter of each of the 3 optical windows of the camera is 40 mm. The camera is mounted in a Burleigh X-Y-Z micro-positioning device with linear accuracy above 0.1 microns.

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.The temperature of the container with tungsten hexafluoride 18 C; the temperature of the container with molybdenum hexafluoride, a mixer, connecting lines and the walls of the reactor is 40 C. The reactor was evacuated to a residual pressure of ~ 0.001 Pa before the start of the process. The process of deposition of doped tungsten was carried out in a continuous mode.

Для работы использовали CO2-лазер, работающий на длине волны 10.6 микрон; мощность лазера - 0.705-1.310 кВт.For work, we used a CO 2 laser operating at a wavelength of 10.6 microns; laser power - 0.705-1.310 kW.

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.The temperature of the tungsten disk in the spot focus of the laser beam was 810 ° C at a power of 1.310 kW, the pressure in the reactor after introducing a stoichiometric mixture of tungsten, molybdenum and hydrogen hexafluorides into it was 90 kPa. Under these conditions, polycrystalline tungsten and molybdenum are deposited at a rate of ~ 120 μm / min. At the same speed, the microposition device moved the reactor away from the laser so that the focus of the laser beam was concentrated all the time on the surface of the emitter. TEM photomicrographs of the polycrystal extracted from the channel show that the grains reach ~ 10 μm, i.e. the grown preform had a nanocrystalline structure. The emitter length was ultimately 20 mm, diameter 4 mm. The total growing time is 198 min = 3.3 hours.

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.The morphology of the obtained product was determined using a scanning (scanning) electron microscope. To determine the phase composition of the product using transmission electron microscopy (TEM - Transmission Electron Microscopy), which allows to determine the phase distribution. It was established that molybdenum was distributed homogeneously in the body of the electron emitter in both diameter and length.

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.The work function of the electrons from the grown (W-Mo) - alloy was determined by the contact potential difference (CRP) method. It was found that during the cathode operation, the electron work function corresponded to the calculated value of 4.2 eV.

Пример 2Example 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 (eφ=4.54 эВ) для легирования вольфрама использовали тантал (eφ=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.The reactor, shown schematically in FIGS. 1, 2, is used for the manufacture of cathode elements of 100-200 kW electric arc plasmatrons equipped with an electronic emitter made of an alloy of tungsten with tantalum, in which 80% by weight. tungsten and 20% tantalum. The work function of tungsten (eφ = 4.54 eV) for doping tungsten was used tantalum (eφ = 4.12 eV). The raw material for alloying is tantalum pentafluoride. The dimensions of the cylindrical channel in a copper holder - cathode element: 4 mm in diameter, 20 mm in length, a disk made of tungsten is tightly pressed into the bottom of the channel. The size of the copper cathode element is 20 mm in diameter, 40 mm in length. The dimensions of the reactor chamber are 60 × 60 × 60 mm. The diameter of each of the 3 optical windows of the camera is 40 mm. The temperature of the container with tungsten hexafluoride 18 C; the temperature of the container with tantalum pentafluoride, a mixer, connecting communications and the walls of the laser reactor is 230 ° C. Before the start of the process, the reactor was evacuated to a residual pressure of ~ 10 -3 Pa. The process of deposition of doped tungsten was carried out in a continuous mode. For work, we used a CO 2 laser operating at a wavelength of 10.6 microns; laser power - 0.705-1.310 kW.

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.The temperature of the tungsten disk in the spot focus of the laser beam was 1.310 kW at 813 ° C, and the pressure in the reactor after entering a stoichiometric mixture of tungsten hexafluoride, tantalum pentafluoride, and hydrogen was 89 kPa. Under these conditions, polycrystalline tungsten and tantalum are simultaneously deposited at a rate of 110 μm / min. At the same speed, the microposition device moved the reactor away from the laser so that the focus of the laser beam was concentrated all the time on the surface of the emitter. TEM microphotographs of the polycrystal show that the grains reach ~ 10 μm, i.e. the grown emitter had a nanocrystalline structure. The length of the micro rod was ultimately 20 mm, diameter 4 mm. The time for growing the rod is 242 min = 4.03 hours.

Установлено, что в процессе работы катода, полученного поликристаллического сплава W-Ta работа выхода электрона соответствовала расчетной величине 4.12 эВ.It was established that during the operation of the cathode obtained by the W-Ta polycrystalline alloy, the electron work function corresponded to the calculated value of 4.12 eV.

Пример 3Example 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 (eφ=4.54 эВ) для легирования вольфрама использовали гафний (eφ=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.The reactor, shown schematically in FIGS. 1, 2, is used for the manufacture of cathode elements of 100-200 kW electric arc plasmatrons equipped with an electronic emitter made of an alloy of tungsten with hafnium, in which 87% by weight. tungsten and 13% hafnium. The work function of tungsten (eφ = 4.54 eV) was used for doping tungsten with hafnium (eφ = 3.53 eV). The starting material for alloying is hafnium tetraiodide. The dimensions of the cylindrical channel in the copper holder of the cathode element: 4 mm in diameter, 20 mm length, a washer made of tungsten is tightly pressed into the bottom of the channel.

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.The process conditions and dimensions of the cathode, as in the previous examples. The temperature of the container with tungsten hexafluoride 18 C; the temperature of the container with hafnium tetraiodide, mixer, communications and walls of the laser reactor 400 ° C. The temperature of the tungsten disk in the spot focus of the laser beam was 1.310 kW at 817 ° C, and the pressure in the laser reactor after entering a stoichiometric mixture of tungsten hexafluoride, hafnium tetraiodide and hydrogen was 89 kPa. Under these conditions, polycrystalline tungsten and hafnium are simultaneously deposited at a rate of 145 μm / min. At the same speed, the microposition device moved the reactor away from the laser. TEM - micrographs of a polycrystal show that grains reach ~ 10 μm, i.e. the grown emitter had a nanocrystalline structure. The emitter length was ultimately 20 mm, diameter 4 mm. The time for growing the rod is 188 min = 3.13 hours.

Установлено, что в процессе работы катода, полученного поликристаллического сплава W-Hf работа выхода электрона соответствовала расчетной величине 3.53 эВ.It was established that during the operation of the cathode obtained by the W-Hf polycrystalline alloy, the electron work function corresponded to the calculated value of 3.53 eV.

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.Thus, this invention will allow in one technological process to obtain emitters for thermionic elements of electric arc cathodes of plasma generators and thermionic cathodes of vacuum or gas-filled devices that are a source of electrons. At the same time, the service life of tungsten electron emitters increases due to the homogeneous distribution of dopants with lower electron work function than tungsten, emitter erosion due to elimination of oxidation is reduced, it becomes possible to control the concentration of dopants, and to regulate the structure of tungsten.

Claims (19)

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.1. A method of manufacturing an emitter of electrons from tungsten with dopants, which consists in the fact that a mixture of tungsten hexafluoride, hydrogen and volatile fluoride or dopant iodide in a ratio corresponding to a given emitter composition is introduced into the vacuum chamber, a laser beam is applied to the said mixture and products are removed reactions from the chamber, while forming an emitter by depositing reduced tungsten and a dopant on a substrate made of tungsten and placed in the center of the laser beam on the holder, while moving the substrate relative to the laser at a speed equal to the deposition rate of tungsten and dopant. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эмиттер заданного размера формируют в углублении держателя, выполненного виде катодного элемента.2. The method according to claim 1, characterized in that the emitter of a given size is formed in the recess of the holder, made in the form of a cathode element. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что подложку в виде диска размещают на дне углубления катодного элемента.3. The method according to claim 2, characterized in that the substrate in the form of a disk is placed on the bottom of the recess of the cathode element. 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.4. The method according to claim 2, characterized in that the mixture of tungsten hexafluoride, hydrogen and volatile fluoride or dopant iodide are injected into the recesses in the cathode element. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что гексафторид вольфрама нагревают до 18°С - температуры, близкой к температуре кипения гексафторида вольфрама.5. The method according to claim 1, characterized in that the tungsten hexafluoride is heated to 18 ° C, a temperature close to the boiling point of tungsten hexafluoride. 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.6. The method according to claim 1, characterized in that as a dopant, volatile molybdenum hexafluoride is used, heated to a temperature of at least 40 ° C — a temperature close to the boiling point of molybdenum hexafluoride. 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.7. The method according to claim 1, characterized in that as a dopant, volatile niobium pentafluoride is used, heated to a temperature not lower than 235 ° C — a temperature close to the boiling point of niobium pentafluoride. 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.8. The method according to claim 1, characterized in that as a dopant, volatile tantalum pentafluoride is used, heated to a temperature of at least 230 ° C — a temperature close to the boiling point of tantalum pentafluoride. 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.9. The method according to claim 1, characterized in that as a dopant, volatile titanium tetrafluoride is used, heated to a temperature not lower than 286 ° C — a temperature close to the boiling point of titanium tetrafluoride. 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.10. The method according to claim 1, characterized in that as a dopant, volatile zirconium tetraiodide is used, heated to a temperature not lower than 418 ° C — a temperature close to the boiling point of zirconium tetraiodide. 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.11. The method according to claim 1, characterized in that as a dopant, volatile hafnium tetraiodide is used, heated to a temperature not lower than 418 ° C — a temperature close to the boiling point of hafnium tetraiodide. 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.12. The method according to claim 1, characterized in that as a dopant, volatile lanthanum triiodide is used, heated to a temperature not lower than 1580 ° C — a temperature close to the boiling point of lanthanum triiodide. 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.13. A device for manufacturing an emitter of electrons from tungsten with dopants, consisting of a laser, a vacuum chamber with optical windows for input and output of a laser beam, a pipe for the removal of reaction gases connected to the filter, a pipe for supplying hydrogen and volatile compounds of tungsten and dopants, while inside the chamber on the axis of the laser beam, a substrate is made perpendicular to it, made of tungsten and mounted on a holder, mounted to move in the direction of the laser beam. 14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что перемещение осуществляют с помощью позиционирующего устройства, установленного на вакуумной камере.14. The device according to item 13, wherein the movement is carried out using a positioning device mounted on a vacuum chamber. 15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что держатель выполнен в виде катодного элемента с центральным углублением, по форме и размерам соответствующим эмиттеру.15. The device according to item 13, wherein the holder is made in the form of a cathode element with a Central recess, in shape and size corresponding to the emitter. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что подложка выполнена в виде вольфрамового диска, расположенного на дне углубления катодного элемента.16. The device according to p. 15, characterized in that the substrate is made in the form of a tungsten disk located at the bottom of the recess of the cathode element. 17. Устройство по п 15, отличающееся тем, что диаметр лазерного луча равен диаметру углубления.17. The device according to p. 15, characterized in that the diameter of the laser beam is equal to the diameter of the recess. 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.18. The device according to p. 15, characterized in that the pipe for supplying hydrogen and volatile compounds of tungsten and alloying additives is connected to an injector located in a vacuum chamber, the output end of which is located near the recess in the cathode element. 19. Устройство по п 13, отличающееся тем, что за фильтром установлен абсорбер для улавливания фторида водорода и колонна для улавливания йода или йодида водорода. 19. The device according to claim 13, characterized in that the filter has an absorber for trapping hydrogen fluoride and a column for trapping iodine or hydrogen iodide.
RU2010148843/05A 2010-11-30 2010-11-30 Method for manufacturing of electron emitters and device for its implementation RU2447537C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010148843/05A RU2447537C1 (en) 2010-11-30 2010-11-30 Method for manufacturing of electron emitters and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010148843/05A RU2447537C1 (en) 2010-11-30 2010-11-30 Method for manufacturing of electron emitters and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2447537C1 true RU2447537C1 (en) 2012-04-10

Family

ID=46031826

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010148843/05A RU2447537C1 (en) 2010-11-30 2010-11-30 Method for manufacturing of electron emitters and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2447537C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2689343C2 (en) * 2017-07-05 2019-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Multilayer thermoemissive protective coating for part from heat-resistant alloy

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU413753A1 (en) * 1970-11-26 1977-06-25 Ордена Трудового Красного Знамени Институт Физической Химии Ан Ссср Method for producing tungsten carbides
SU1619727A1 (en) * 1989-06-19 1995-12-20 Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов Method for producing porous metal cathodes
RU2290969C2 (en) * 2001-07-11 2007-01-10 Мокси ФАНГ Device and method of producing of negatively charged nano-particles

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU413753A1 (en) * 1970-11-26 1977-06-25 Ордена Трудового Красного Знамени Институт Физической Химии Ан Ссср Method for producing tungsten carbides
SU1619727A1 (en) * 1989-06-19 1995-12-20 Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов Method for producing porous metal cathodes
RU2290969C2 (en) * 2001-07-11 2007-01-10 Мокси ФАНГ Device and method of producing of negatively charged nano-particles

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2689343C2 (en) * 2017-07-05 2019-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") Multilayer thermoemissive protective coating for part from heat-resistant alloy

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7892458B2 (en) Metallic electroconductive 12CaO 7Al2O3 compound and process for producing the same
US4533852A (en) Method of manufacturing a thermionic cathode and thermionic cathode manufactured by means of said method
US2754259A (en) Process and apparatus for growing single crystals
KR101275768B1 (en) system for refining UMG Si using a steam plasma torch
JP6522250B2 (en) Tungsten electrode material
EP0039417A1 (en) Process for producing silicon
CN104637764A (en) Ion generator and ion generating method
JP5532435B2 (en) Pretreatment metal fluoride and method for producing fluoride crystal
Ayesh et al. Mechanisms of Ti nanocluster formation by inert gas condensation
KR100788413B1 (en) Method of manufacturing nano composite powder using thermal plasma synthesis
MXPA01013071A (en) Method and apparatus for forming polycrystalline particles.
RU2447537C1 (en) Method for manufacturing of electron emitters and device for its implementation
US11315782B2 (en) Cathode material
WO2011147906A1 (en) Method for producing a quartz glass crucible having a transparent inner layer made of synthetically produced quartz glass
JP2011063486A (en) Method for producing high-purity metal boride particle, and high-purity metal boride particle obtained by the method
Zhang et al. Study on morphology and chemical states of surface active layer of Ce-W cathode
US3284657A (en) Grain-oriented thermionic emitter for electron discharge devices
Farhadian-Azizi et al. Optical monitoring of DC/RF plasma sputtering for copper oxide film growth at low temperature
RU2542912C2 (en) Method of intermetallic anti-emission coating production at net-shaped electrodes of oscillating tubes
US6586093B1 (en) Nanostructures, their applications and method for making them
Han et al. Synthesis of single-crystalline NdB 6 submicroawls via a simple flux-controlled self-catalyzed method
US8568605B2 (en) Forming nanometer-sized patterns by electron microscopy
RU2261940C1 (en) Method of production of intermetallicantiemission coating
RU2811828C1 (en) Method for producing nanodispersed isotope-modified molybdenum boride
RU2643288C2 (en) Method for obtaining non-metal nanopowder

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201201