SU1051611A1 - Катод отпа нного газового лазера и способ его изготовлени "(варианты) - Google Patents

Abstract

1. Катод отпа нного 1;аэового лазера, выполненный в виде полого цилиндра из электропровод щего эмитируидего материала, отличаюГ4 и и с   тем, что, с целью повышени  срюка службы лазера, полый цилиндр выполнен трехслойным из карбидов металлов V а-группы периодической системы элементов с внешними сло ми состава МеСо74. o.q и внутренним слоем состава MeCo,Q2. соответственно или из полукарбида при соотношении толщин слоев от Itlil до 1jO, 25:1. 2. Способ изготовлени  катода, С включак дий нагрев графитовой заготовни в атмосфере пентахлорида тантала W или ниоби  и аргона, о т л и ч а torn и и с   тем,что заготовку с толщиной стенки , составл ющей 0,5-0,7 тол--, щины стенки готового катода, нагревают до 2300-2500с и выдерживают ггри § этой температуре в течение 5-8 ч. 3. Способ изготовлени  катода, включающий нагрев заготовки из тан (У1 тала или ниоби  в засыпке из порошкового графита в атмосфере аргона, о т- i личающийс  тем,что ЗЗГОТОЕ-. ку с толщиной стенки, составл ющей 0,56-0,95 толщины стенки готового ка-, тода, нагревают до 2000-2200 С и выдерживают при этой температуре в те-; чение 5-10 ч.

Description

Иэобр-атение относитс  к квантовой электронике к можат быть исгюльзова но при разработке газоБ --лх и, в частности , СОа-лазеров, OobiT-iHO в газовом лазере и, в частности, в СО -лазере используют катоды из мета.плов, так как металлы (никель, платина и др.) обеспечивают основные свойства катодов - электропроводность и способность эмиссии электронов 1 с Однако такие катоды не обеспечивают длительной работы лазеров изза распылени . Известны также катоды из карбил.ов тугоплавких металлов, обладающих эмиссионными СБОйстзам  и высокой электропроводностью., которые обычно используют 3 качестве накальных. По сравнению с металламг ; многих тугоплавких металлов незначительно распыл ютс  в услови х ионной бом&ар дировки и практически не взаимодейс вуют с актив НЫГ4И компонентами газовой смеси сеч-лазеров 2 , Обычно и дели  из карбидов, в том числе и ка тоды, изготавливают методом порошко вой металлургии - прессовкой и спеканием 3 , Однако изготовление из карбидов относительно тонкостенных (0,50 ,8 мм) катодов газовых лазеров таким способом.затруднено из-за хрупкости карбидов, Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  катод отпа нного газового лазера, выполненный в виде полого тонкостенного ( О,-7 мм) цилиндра из так о ГО электропрозод щего эмктируь шего материала, как ковар 4. НедОСТсЭ.ток прототипа - его распы ление пол воздействием ионной бомба дировки и взаимодействие с компонен тами газовой среды, В результате эт го в обычных конструкци х отпа нньйх лазеров измен.четс  состав рабочей смеси газов . мощность излучени  бьас ро снижаетс , чем ограничиваетс  до говечнооть прибора, составл   не бо лее 500 ч, Известен сгюсоб И31отовлени  дета лей f с помощью которого могут быть изготовлены катоды из карбидов туг-о плавких металлов, прин тый за прото тип первого варианта предлагаемого способа, включающий нагре± .оафитовой заготовки в атмосфере пентахлори за тантала или ниоби  и аргона, ос нованный на взаимодействие графита с галоген1щом металла при высокой температуре с образованием карбидно го покрыти  5, Однако изготовление катодов дл  газовых лазеров этим способом не пр водит к заметному увеличению срока службы лазера, так как графитова  подложка активно взаимодействует с газовой средой лазера, не позвол   в полной мере реализовать полезные свойства самого карбида. Известен также способ изготовлени  деталей (в частности и катодов) из карбидов тугоплавких металлов, включающий нагрев металлической заготовки в засыпке из порошкового графита в атмосфере аргона, в том числе танталовой и ниобиевой, прин тый за прототип BTOpoio варианта способа изготовлени  катода, основанный на диффузионном науглероживании металла 6 . Однако изготовление катодов дл  газовых лазеров известным способом также неперспективно из-за наличи  активной металлической основы, вли квдей на состав газовой среды. Цель изобретени  - повышение срока службы отпа нных газовых лазеров за счет снижени  распыл емости катода и стабилизации (поддержани  посто нства ) состава газовой среды дазера в процессе его эксплуатации. Поставленна  цель достигаетс  тем, что катод газового лазера в виде поло1о цилиндра выполнен трехслойным из карбидов металлов Y а-группы периодической системы элементов с внешними сло ми оостава МеСд, оч внутренним слоем состава ,,. 98 ответственно или из полукарбида при cocJTHoшeнии толщин слоев от 1:1:1 до 1:0,25:1. Поставленна  цель достигаетс  также двум  вариантами способа изготовлени  катода, обеотгечивающими указанные его параметры (по составу слоев и соотношению их толщин) и возможность его использовани  как конструктивного элемента (механически прочного катода), Согласно первому варианту способа изготовлени  катода, включающего нагрев графитовой заготовки в атмосфере пентахлорида тантала или ниоби , исходную графитовую заготовку с толщиной стенки 0,5-0,7 толщины стенки готового катода нагревают до 23002500с и выдерживают при этой температуре в течение 5-8 ч. Согласно второму варианту способа изготовлени  катода, включающего нагрев заготовки из тантала или ниоби  в засыпке из порошкового графита в атмосфере аргона, исходную заготовку с толщиной стенки, составл квдей 0,5-0,95 толщины стенки готового катода , нагревают до 2000-2200с и выдерживают при этой температуре 5-10 ч. Параметры предлагаемого катода (трехслойна  структура, различный состав слоев и соотношение их толщин), определ ют предлагаемые варианты способа его изготовлени . Указанные параметры обусловлены необходимостью сочетани  эксплуатационных свойств катода {мала  распыл емость, устойчи вость в газовой среде и т.д.) и его механической прочности как конструктивного элемента лазера. Как установлено экспериментально требуемые эксплуатационные свойства катода обеспечиваютс  составом монокарбида МеСо,,95 / поэтому состав внешних Карбидных слоев не должен выходить из указанных пределов. Необходимую механическую прочност катода обеспечивает внутренний слой готовой структуры из монокарбида тан тала или ниоби  соответствукадего сос тава в пределах МеСо,Ч7- о, Р первом варианте способа его иэготовлени  или из полукарбида тантала или ниоби  MeCgg (при составе внешних слоев MeCog o,95 имеквдего большую (в зкость, чем монокарбиды, при втором варианте способа его изготовлени . Соотношени  толщин слоев от 1:1:1 до 1:0,5:1 в первом варианте способа изготовлени  катода и от 1:0,5:1 до 1:0,25:1 во.втором как установлено экспериментально, обеспечивают необходимую механическую прочность катода как конструктивного элемента лазера. Согласно первому варианту способа изготовлени  катода в качестве основы используют полую гррфитовую заготовку с толщиной стенки, составл ющей определенную долю толщины готового катода в пределах 0,5-0,7, Заготовку нагревают в смеси паров пентахлорида тантала или ниоби  и аргона (1,5-2 гр/л аргона) до 2300-2500° и выдерживают при этой температуре в указанной газовой среде 5-8 ч. Тем пературу и длительность процесса, ис ходную толщину заготовки и концентра цию пентахлорида выбирают таким обра зом, чтобы обеспечить протекание про цесса карбидизации с образованием трехслойной карбидной структуры требуемого состава и соотношени  толщин слоев. Трехслойна  структура катода обес печиваетс  тем, что при выбранных па раметрах процесса на всей поверхности графитовой заготовки одновременно образуетс  плотный карбидный слой (внешний), при этом дальнейший рост карбида может осуществл тьс  только за счет диффузии углерода из внутрен ней графитовой основы, котора  на определенной стадии процесса превращаетс  в разрыхленную структуру, по межзеренным границам которой проника ет пентахлорид, превраща  ее в карбид , армирукмий внешние слои. При температуре процесса ниже 2300 С фор мируютс  слишком плотные внешние слои, в результате чего процесй карбидизации резко замедл етс  и достичь нужного результата за прйвнлвмое врем  невозможно. При температуре , превышающей , происходит формирование рыхлых карбидньк слоев из-за протекани  реакции в объеме. Исходную толщину заготовки выбирают путем вычислени  плотности карбида тантала или ниоби  и экспериментального уточнени . Меньшие значени  толщины 0,5-0,6 относ тс  к карбиду ниоби , а большие 0,6-0,7 - к карбиду тантала. Поскольку все услови  проведени  процесса изготовлени  катодов с требуемыми параметрами взаимно ув заны, врем  кдрбидизации устанавливают экспериментально по результатам металлографического , рентгеноструктурного анализа готовых катодов и изменени  веса графитовой заготовки после карбидизации . Указанные пределы (5-8 ч) обеспечивают полный перевод графита в карбидную структуру. Согласно второму варианту способа изготовлени  катодов металлическую заготовку (из тантала или ниоби  соютветственно ) с толщиной стенки, составл юуей 0,5-0,95 толщины стенки готового катода, нагревают в засыпке из порошкового графита в инертной ;среде до 2000-2200С и выдерживают при этой температуре 5-10 ч. Режим и толщину заготовки выбирают таким юбразом, чтобы обеспечить протекание {процесса карбидиэации с образованием, трехслойной карбидной структуры требуемого состава и соотношени  толщин. Трехслойна  структура катода в этом случае обеспечиваетс  тем, что карбидизаци  металлов V а-группы происходит в соответствии с диаграммой состо ний Ме-С, т.е. в наружных сло х , контактирующих с углеродом, образуетс  монокарбид МеС , где X может принимать значени , близкие к верхнему пределу гомогенности карбида; , а внутренний слой превращаетс  в пЬлукарбид при больших временах вьщержки, I Реальные скорости процесса завис т от многих параметров и не могут быть рассчитаны теоретически с требуемой точностью. Поэтому необходима экспериментальна  отработка условий проведени  процесса и параметров получаемых катодов. При температуре ниже 2000°С процесс карбидизации резко замедл етс , что приводит к значительному увеличению времени карбидизации . При температуре выше 2200с процесс карбидизации сопровождаетс  дефектообразованием в растущих кар бидных сло х и изменением формы катода за счет внутренних напр жений И пластической деформации. При получении катодов из карбида ниоби  температура выдерживаетс  в пределах 2000 2100С, а из карбида тантала

2100--2200C. Поскольку все услови  проведени  процесса изготовлени  катодов с требуемыми параметрами взаимно ув заны, врем  проведени  процесса  вл етс  суммирующим фактором и его значени  устанавливаютс  экспериментально на основании металлографического анализа. Врем  проведени  процессе увеличиваетс  с понижением температуры и уменьшением толщины внутреннего сло  МеСр как полукарбиды тантала и ниоби  имеют очень узкую область гомогенности и гексагональную решетку, по рентгеновским данным не удалось установить вариации состава полукарбида.

Конкретные услови  осуществлени  первого и второго вариантов предлагаемого способа и параметры получав 4ыx катодов представлены в та,бл

На чертежа представлены результаты сравнительных испытаний отпа нный СО2-лазеров типа ЛГ-25 с различньл 1и катодами, где кривой 1 показано изменение во времени мощности излучени  прибора с металлическим (коваровым ) катодом, кривой 2 то же, дл  прибора с предлагаемым катодом из карбида тантала (первый вэ.риант способа изготовлени  катода) и кривой 3 - то же, дл  прибора с предлагае ым катодом из карбида ниоби  (второй вариант изготовлени  катода).

Параметры

процесса

заготовок

Как видно из результатов сравни тельных испытаний, применение предлагаемый катодов из карбида тантала или ниоби , изготовленных указанными способами, позволило увеличить срок службы отпа нных СО2-лазеров ЛГ-25 с 500 до 2000 ч и более. При этом одновременно обеспечиваетс  максл-шально возможное значение удельной мощности излучени  на единицу длины и поддержание ее практически неизменной во времени. Установлено также, что ограничение по долговечности накладываетс  не вли нием катода, а других факторов, устранение которых должно обеспечить дальнейшее увеличение срока службы.

Таким образом, преимущество предлагаемого катода газового лазера по сравнению с известньпу1и заключаетс  в увеличении в несколько раз долговечности лазеров. Это относитс  не только к СОг, , но также ко многим другим газовым лазерам, в которых распыление катода играет принципиальную роль (на СО гелий-неоновым и т.д.),.

7аким образом, использование предлагаемого катода обеспечивает значительный экономический эффект Е народном хоз йстве .

rIOлyчaeм x католов

Вариант I

Claims (3)

1. Катод,отпаянного газового лазера, выполненный в виде полого цилиндра из электропроводящего эмитирующего материала, отличающийся тем, что, с целью повышения срока службы лазера, полый цилиндр выполнен трехслойным из карбидов металлов V a-группы периодической системы элементов с внешними слоями состава МеС_О74. οςς и внутренним слоем состава МеС^.р^о^д соответственно или из полукарбида МеС_ц5 при соотношении толщин слоев от 1:1:1 до 1:0,25:1.

2_. Способ изготовления катода, _е включающий’ нагрев графитовой заготовь Ф ки в атмосфере пентахлорида тантала или ниобия и аргона, о т л и ч a torn и 'й с я тем,что заготовку с толщиной стенки,составляющей 0,5-0,7 толщины стенки готового катода, нагревг ют до 2300-2500°С и выдерживают При этой температуре в течение 5-8 ч.

3. Способ изготовления катода, включающий нагрев заготовки из тантала или ниобия в засыпке из порошкового графита в атмосфере аргона, о тличающий ся Тем,что зэготое—. ку с толщиной стенки, состав Лйквдёй 0,56-0,95 толщины стенки готового кг тода, нагревают до 2000-2200^аС и выдерживают при этой температуре в течение 5-10 ч.