RU2759154C1

RU2759154C1 - Emission material based on yttrium and lanthanum aluminates for metal-porous cathodes of high-power vacuum electronic equipment

Info

Publication number: RU2759154C1
Application number: RU2021100051A
Authority: RU
Inventors: Николай Алексеевич Томилин; Вячеслав Сергеевич Серегин
Original assignee: Акционерное общество "НПО "НИИТАЛ"
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2021-11-09

Abstract

FIELD: electronic engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electronic engineering, in particular, to production of high-power vacuum electronic equipment of the UHF range. According to the invention, the emission material constitutes a eutectic alloy obtained by the method for solid-phase synthesis or melting of a mixture of aluminium, yttrium and lanthanum oxides at a predetermined weight ratio.

EFFECT: reduction in the impregnation temperature, the homogeneity of the chemical and phase composition for the entire depth of impregnation of the cathode, and hence, the stability of the emission characteristics.

1 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к материалам электронной техники, в частности к эмиссионным материалам металлопористых пропитанных катодов мощных вакуумных электронных приборов.The invention relates to electronic materials, in particular to emission materials of metal-porous impregnated cathodes of powerful vacuum electronic devices.

В качестве эмиссионного материала для пропитки вольфрамовой матрицы металлопористого катода используется тройная эвтектика на основе алюминатов иттрия и лантана, предварительно синтезированная из смеси оксидов алюминия, иттрия и лантана определенного состава. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих температур катода, возможность снижения температуры пропитки и обеспечение однородности химического фазового состава эмиссионного вещества по всей глубине пропитки.As an emission material for impregnating the tungsten matrix of a metal-porous cathode, a ternary eutectic based on yttrium and lanthanum aluminates, previously synthesized from a mixture of aluminum, yttrium and lanthanum oxides of a certain composition, is used. The technical result is to expand the range of operating temperatures of the cathode, the possibility of lowering the impregnation temperature and ensuring the homogeneity of the chemical phase composition of the emissive substance over the entire depth of impregnation.

Изобретение относится к материалам электронной техники, в частности к эмиссионным материалам металлопористых пропитанных катодов мощных вакуумных электронных приборов СВЧ-диапазона.The invention relates to electronic materials, in particular to emission materials of metal-porous impregnated cathodes of powerful vacuum electronic devices of the microwave range.

Известны металлопористые катоды (например, /1, 2/), у которых вольфрамовая матрица пропитана смешанными алюминатами бария-кальция. Состав этих алюминатов разнообразен, но наиболее широко используются эвтектические смеси алюминатов, получаемых в результате твердофазного синтеза или плавления смесей оксидов бария, кальция и алюминия, химического состава (в мольном соотношении) 3ВаО⋅0,5СаО⋅Al₂O₃ и 5ВаО⋅3СаО⋅2Al₂O₃. Пропитка вольфрамовой матрицы этими алюминатами осуществляют при температурах (1750-1800°С). Конгруэнтное плавление эвтектической смеси алюминатов обеспечивает однородность химического и фазового состава эмиссионного вещества на всю глубину пропитки. Недостатками таких катодов является узкий диапазон рабочих температур 1000-1150°С. В случае использования катодов в магнетронах за счет обратной бомбардировки электронами температура катода может значительно повышаться, при этом происходит ускорение испарения эмиссионного вещества, падение электропрочности промежутка катод-анод и резкое сокращение срока службы катода и магнетрона.Known metal-porous cathodes (for example, / 1, 2 /), in which the tungsten matrix is impregnated with mixed barium-calcium aluminates. The composition of these aluminates is diverse, but the most widely used eutectic mixtures of aluminates obtained as a result of solid-phase synthesis or melting of mixtures of oxides of barium, calcium and aluminum, chemical composition (in molar ratio) 3ВаО⋅0.5СаО⋅Al ₂ O ₃ and 5ВаО⋅3СаО⋅ 2Al ₂ O ₃ . The impregnation of the tungsten matrix with these aluminates is carried out at temperatures (1750-1800 ° C). The congruent melting of the eutectic mixture of aluminates ensures the homogeneity of the chemical and phase composition of the emissive substance over the entire impregnation depth. The disadvantages of such cathodes are the narrow operating temperature range of 1000-1150 ° C. In the case of using cathodes in magnetrons, due to electron back bombardment, the cathode temperature can significantly increase, while the evaporation of the emission substance accelerates, the electrical strength of the cathode-anode gap decreases, and the service life of the cathode and magnetron sharply decreases.

Для устранения этих недостатков в мощных ЭВП для пропитки металлопористых катодов вместо алюминатов щелочноземельных металлов используют соединения редкоземельных металлов, например, смешанных алюминатов иттрия, лантана, лютеция и др. /3/. Состав смешанных алюминатов должен удовлетворять двум требованиям: иметь возможно более низкую температуру плавления для пропитки вольфрамовой матрицы и обладать достаточными эмиссионными и вторично-эмиссионными свойствами.To eliminate these disadvantages in powerful EEC for impregnation of metal-porous cathodes, instead of aluminates of alkaline earth metals, compounds of rare earth metals are used, for example, mixed aluminates of yttrium, lanthanum, lutetium, etc. / 3 /. The composition of mixed aluminates must satisfy two requirements: have the lowest possible melting point for impregnation of the tungsten matrix and have sufficient emission and secondary emission properties.

Целью изобретения является получение эмиссионного материала эвтектического состава на основе алюминатов иттрия и лантана с наиболее низкой температурой плавления для пропитки металлопористых катодов мощных вакуумных электронных приборов.The aim of the invention is to obtain an emission material of eutectic composition based on yttrium and lanthanum aluminates with the lowest melting point for impregnation of metal-porous cathodes of powerful vacuum electronic devices.

Сущность изобретения заключается в получении эмиссионного материала эвтектического состава на основе алюминатов иттрия и лантана из смеси оксидов алюминия, иттрия и лантана определенного состава методами твердофазного синтеза или плавления, при этом используемая в качестве материала для его синтеза смесь оксидов имеет состав, вес. %:The essence of the invention consists in obtaining an emission material of a eutectic composition based on yttrium and lanthanum aluminates from a mixture of aluminum, yttrium and lanthanum oxides of a certain composition by methods of solid-phase synthesis or melting, while the mixture of oxides used as a material for its synthesis has a composition, wt. %:

Y₂O₃ - 33;Y ₂ O ₃ - 33;

La₂O₃ -16;La ₂ O ₃ -16;

Al₂O₃ - остальное.Al ₂ O ₃ - the rest.

Использование этого материала для пропитки металлопористых катодов мощных вакуумных электронных приборов позволит снизить температуру пропитки, обеспечить однородность химического и фазового состава эмиссионно-активного вещества на всю глубины пропитки катода, а, следовательно, и стабильность эмиссионных характеристик.The use of this material for impregnation of metal-porous cathodes of powerful vacuum electronic devices will make it possible to reduce the impregnation temperature, ensure the uniformity of the chemical and phase composition of the emission-active substance over the entire impregnation depth of the cathode, and, consequently, the stability of the emission characteristics.

Диаграмма состояния тройной системы Y₂O₃-Al₂O₃-La₂O₃ полностью не построена. Из справочных данных /4/ известно, что в бинарных системах, образующих тройную систему Y₂O₃-Al₂O₃-La₂O₃, имеет место образование алюминатов иттрия (Y₃Al₅O₁₂) и лантана (AlLaO₃) и двойных эвтектик Е₁ (1780°С) и Е₂ (1760°С) (рис. 1). На основе анализа имеющихся данных о фазовых соотношениях в исследуемой тройной системе можно предположить наличие области тройной эвтектики с более низкой температурой плавления.The state diagram of the Y ₂ O ₃ -Al ₂ O ₃ -La ₂ O ₃ ternary system is not fully constructed. From the reference data / 4 / it is known that in binary systems forming the ternary system Y ₂ O ₃ -Al ₂ O ₃ -La ₂ O ₃ , the formation of yttrium aluminates (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ) and lanthanum (AlLaO ₃ ) takes place and double eutectics E ₁ (1780 ° C) and E ₂ (1760 ° C) (Fig. 1). Based on the analysis of the available data on the phase relationships in the studied ternary system, it can be assumed that there is a ternary eutectic region with a lower melting point.

По данным авторов /3/ более низкой температурой плавления (1650°С ± 25°С) обладает материал, содержащий смешанные бинарные алюминаты иттрия и лантана, состава (в пересчете на оксиды) Y₂O₃:La₂O₃:Al₂O₃ - 20:25:55 вес. %. Отклонение от указанных составов, по мнению авторов, нецелесообразно, так как приводит к резкому увеличению температуры плавления смешанных алюминатов и соответственно к увеличению температуры пропитки вольфрамовой матрицы. Эмиссионные характеристики материала: работа выхода - 3,4÷3,5 эВ, максимальный коэффициент вторичной электронной эмиссии - 2,2÷2,3.According to the authors / 3 / a lower melting point (1650 ° C ± 25 ° C) is possessed by a material containing mixed binary yttrium and lanthanum aluminates, of the composition (in terms of oxides) Y ₂ O ₃ : La ₂ O ₃ : Al ₂ O ₃ - 20:25:55 wt. %. Deviation from the indicated compositions, according to the authors, is inappropriate, since it leads to a sharp increase in the melting temperature of mixed aluminates and, accordingly, to an increase in the impregnation temperature of the tungsten matrix. Emission characteristics of the material: work function - 3.4 ÷ 3.5 eV, maximum coefficient of secondary electron emission - 2.2 ÷ 2.3.

Этот эмиссионный материал, наиболее близкий по химическому составу и назначению к заявляемому изобретению, был выбран нами в качестве прототипа и исходного образца для проведения физико-химических исследований (состава, структуры, свойств) для уточнения состава и температуры тройной эвтектики.This emission material, the closest in chemical composition and purpose to the claimed invention, was chosen by us as a prototype and initial sample for carrying out physicochemical studies (composition, structure, properties) to clarify the composition and temperature of the ternary eutectic.

Результаты исследований.Research results.

Эмиссионный материал для пропитки пористой вольфрамовой матрицы и экспериментального подтверждения заявляемого технического результата был синтезирован из смеси порошков оксидов исходного состава (точка Р на рис. 1) с использованием различных технологий (твердофазного синтеза и плавления). Для проведения комплекса физико-химических исследований материала (состава, структуры, свойств) на различных этапах был изготовлен ряд образцов в виде порошков и спрессованных таблеток (табл. 1).Emission material for impregnation of a porous tungsten matrix and experimental confirmation of the claimed technical result was synthesized from a mixture of oxide powders of the initial composition (point P in Fig. 1) using various technologies (solid-phase synthesis and melting). To carry out a complex of physicochemical studies of the material (composition, structure, properties) at various stages, a number of samples were made in the form of powders and compressed tablets (Table 1).

Контроль химического и фазового состава синтезированных образцов осуществляли методами растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и рентгенофазового анализа (РФА). Измерение интервала температур плавления образцов (температур солидус и ликвидус) проводили методом дифференциального термического анализа (ДТА).The chemical and phase composition of the synthesized samples was monitored by scanning electron microscopy (SEM), X-ray spectral microanalysis (RSMA), and X-ray phase analysis (XPA). The range of melting temperatures of the samples (solidus and liquidus temperatures) was measured by differential thermal analysis (DTA).

Анализ результатов исследования образцов прототипа показал:Analysis of the results of the study of prototype samples showed:

- при плавлении и твердофазном синтезе химический состав образцов не изменяется: усредненный химический состав (в пересчете на оксиды) соответствует исходному;- during melting and solid-phase synthesis, the chemical composition of the samples does not change: the average chemical composition (in terms of oxides) corresponds to the initial one;

- плавление смеси оксидов алюминия, иттрия, лантана исходного состава приводит к изменению фазового состава - образованию тройных алюминатов; при твердофазном синтезе также наблюдается изменение фазового состава, однако, система не находится в равновесном состоянии (присутствуют непрореагировавшие исходные оксиды);- melting of a mixture of oxides of aluminum, yttrium, lanthanum of the initial composition leads to a change in the phase composition - the formation of ternary aluminates; during solid-phase synthesis, a change in the phase composition is also observed, however, the system is not in an equilibrium state (unreacted initial oxides are present);

- синтезированные образцы плавятся при более низких (по сравнению с температурами плавления двойных эвтектик E₁ и Е₂) температурах; их плавление по данным ДТА происходит в интервале температур солидус - ликвидус (~ 1550÷1650°С (± 50°С)). Это свидетельствует о том, что синтезированный материал не является строго эвтектическим и изменение химического состава расплава в процессе пропитки пористой вольфрамовой матрицы катода может приводить к изменению химического состава эмиссионного вещества катода по глубине.- the synthesized samples melt at lower (compared to the melting points of binary eutectics E ₁ and E ₂ ) temperatures; their melting according to DTA data occurs in the solidus - liquidus temperature range (~ 1550 ÷ 1650 ° С (± 50 ° С)). This indicates that the synthesized material is not strictly eutectic and a change in the chemical composition of the melt during the impregnation of the porous tungsten matrix of the cathode can lead to a change in the chemical composition of the emission substance of the cathode with depth.

Этот факт был подтвержден при исследовании образцов группы D.This fact was confirmed by the study of samples of group D.

Пропитка вольфрамовой матрицы активным веществом проводилась по стандартной технологии изготовления металлопористых катодов. Вольфрамовая матрица (полученная прессованием и высокотемпературным спеканием вольфрамового порошка) пористостью ~20% в виде таблетки диаметром 10 мм, высотой 6 мм и с насыпанным на верхнюю поверхность порошком измельченного образца группы С нагревалась в водородной печи до 1800°С с 5-минутной выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением до комнатной температуры. Анализ однородности пропитки матрицы выполняли на поперечном шлифе методами РЭМ и РСМА.The impregnation of the tungsten matrix with an active substance was carried out according to the standard technology for the manufacture of metal-porous cathodes. A tungsten matrix (obtained by pressing and high-temperature sintering of tungsten powder) with a porosity of ~ 20% in the form of a tablet with a diameter of 10 mm, a height of 6 mm and with a powder of a crushed sample of group C poured onto the upper surface was heated in a hydrogen furnace to 1800 ° C with a 5-minute exposure at this temperature and subsequent cooling to room temperature. The analysis of the homogeneity of the impregnation of the matrix was carried out on a transverse section by SEM and X-ray structural analysis.

Локальный анализ химического состава эмиссионного вещества в порах вольфрамовой матрицы показал его изменение по глубине катода (область составов Р₁ на рис. 1). Полученные результаты позволили предположить, что эмиссионное вещество состава Е, заполнившее наиболее удаленные от поверхности поры, является эвтектическим и обладает наименьшей температурой плавления.Local analysis of the chemical composition of the emission substance within the pores of the tungsten matrix showed it to change in depth of the cathode (area of compositions P ₁ in Fig. 1). The results obtained allowed us to assume that the emission substance of composition E, which filled the pores most distant from the surface, is eutectic and has the lowest melting point.

Для проверки этого предположения были изготовлены группы образцов Е, F, G с использованием смеси оксидов алюминия, иттрия, лантана состава Е (Y₂O₃:La₂O₃:Al₂O₃ - 33:16:51 вес. %). Проведенные исследования образцов подтвердили, что синтезированное из этой смеси оксидов вещество является тройной эвтектикой с температурой плавления 1530°С (± 15°С), и его использование позволяет снизить температуру пропитки катода до 1700°С и обеспечивает однородность химического и фазового состава эмиссионного вещества на всю глубины пропитки металлопористого катода.To test this assumption, groups of samples E, F, G were prepared using a mixture of oxides of aluminum, yttrium, lanthanum of composition E (Y ₂ O ₃ : La ₂ O ₃ : Al ₂ O ₃ - 33:16:51 wt.%). The performed studies of the samples confirmed that the substance synthesized from this mixture of oxides is a ternary eutectic with a melting point of 1530 ° C (± 15 ° C), and its use makes it possible to reduce the impregnation temperature of the cathode to 1700 ° C and ensures the homogeneity of the chemical and phase composition of the emission substance by the entire depth of impregnation of the metal-porous cathode.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки.Sources of information taken into account in the preparation of the application.

1. Кудинцева Л.А. и др. Термоэлектронные катоды, изд. «Энергия», М.П. 1966 г. стр. 205.,1. Kudintseva L.A. and other Thermoelectronic cathodes, ed. "Energy", M.P. 1966 p. 205.,

2. Тагути Тадакори и др. Патент Японии 52-185339, H01J 1/20, 29/04 от 30.01.84 г.),2. Taguchi Tadakori et al. Japanese Patent 52-185339, H01J 1/20, 29/04 dated 01/30/84),

3. Смирнов В.А. и др., Патент RU 2342732 С1 от Металлопористый пропитанный катод для магнетрона3. Smirnov V.A. et al., Patent RU 2342732 C1 from Metal-porous impregnated cathode for magnetron

4. Торопов Н.А. и др. Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. - М.: Наука, 1965.4. Toropov N.A. and other Diagrams of the state of silicate systems. Directory. - M .: Nauka, 1965.

Claims

Emission material based on yttrium and lanthanum aluminates for metal-porous impregnated cathodes of powerful vacuum electronic devices, obtained by solid-phase synthesis or melting from a mixture of aluminum, yttrium and lanthanum oxides, characterized in that the mixture of oxides used as a material for its synthesis has a composition, wt. %:

Y ₂ O ₃ 3 La ₂ O ₃ 16 Al ₂ O ₃ rest