Способ нанесения эмиссионного покрытия на катод
Разработка
ID
TB0E-FL0O
Пользователь
Категория
H - электричество
Опубликован
11.04.2024 12:32
Описание
Изобретение относится к области электронной техники, частности к дисплейным экранам с автоэмиссионным углеродным катодом, индикаторам и т.д., и касается нанесения эмиссионного покрытия на катод.
Эмиссионное покрытие наносится на катод для снижения рабочего напряжения питания катода путем снижения работы выхода электронов. Как известно в ряде случаев, например в дисплейных экранах, высокие напряжения питания катода существенно усложняют и удоражают систему управления.
Последнее время в качестве материала покрытия катода используют щелочные или щелочно-земельные материалы, которые имеют низкую работу выхода электронов.
Так известен способ нанесения эмиссионного покрытия на катод путем пропитки пористой матрицы, спеченной из вольфрама, молибдена или сплава вольфрам-молибден, нитратами щелочно-земельных металлов путем ее погружения сначала в раствор соответствующих солей, а затем - в раствор карбоната аммония для перевода нитратов в карбонаты. Далее матрицу прогревают в среде сухого H2 при температуре 1100oC для превращения карбонатов в оксиды [1].
Однако катод с таким покрытием не может работать в автоэмиссионном режиме, так как исходная металлическая матрица не имеет требуемой микроструктуры поверхности, а это, в свою очередь, приводит к тому, что катод с таким покрытием не может быть использован для плоских матричных экранов большой площади, миниатюрных цифровых дисплеев и т.п.
В связи с чем в последнее время возрос интерес к созданию катодов из углеродных материалов и прежде всего из графитов и углеродных волокон, что, в первую очередь, обусловлено низкой стоимостью сырья и простотой изготовления. Использование углеродных материалов для изготовления катодов значительно расширило область их применения, а именно в источниках света для больших рекламных табло, компактных рентгеновских аппаратах, устройствах микроволновой электроники и СВЧ.
Известно также, что углеродные материалы имеют высокую устойчивость к ионной бомбардировке. Несмотря на распыление материала катода, стабильность эмиссионного тока обеспечивается наличием на рабочей поверхности катода большого числа эмиссионных центров и разрушение отдельных центров не приводит к заметному изменению эмиссионного тока. К тому же разрушение старых эмиссионных центров одновременно приводит к формированию новых эмиссионных центров. Внедрение щелочно-земельных металлов в структуру графита позволяет, с одной стороны, сохранить структуру графитового материала, обеспечивающую статистическую стабильность эмиссионного тока при ионной бомбардировке, а, с другой стороны, обеспечить наличие на поверхности катода активирующего материала, обусловленное равномерным его распределением в графитовой матрице.
Известен способ нанесения эмиссионного покрытия на катод путем пропитки пористой матрицы из углеродного материала металлоорганическими соединениями тория, растворенными в органическом растворителе, последующего перевода соединений тория в его аморфный оксид пиролизом на воздухе при температуре порядка 500oC и кристаллизации оксида нагревом в вакууме при температуре порядка 1000oC [2].
Данный способ является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату. Однако катод с таким покрытием будет иметь низкую плотность тока и высокие рабочие напряжения.
Целью данного изобретения является создание такого покрытия на катоде, которое позволило бы последнему работать в автоэмиссионном режиме, при этом обеспечило бы катоду повышенную плотность тока эмиссии при одновременном снижении рабочего напряжения питания.
Техническим результатом изобретения является снижение работы выхода электронов и для этого в качестве щелочно-земельного материала выбран барий. Как известно, оксиды бария имеют низкую работу выхода электронов на уровне 1.6 эВ, а чистый барий - 2.49 эВ. К тому же для бария легко доступны соединения с малыми (600 - 900oС) температурами разложения, и поэтому возможно осуществить пропитку матрицы из углеродного материала раствором соли бария и затем отжечь ее в вакууме до температуры разложения соли. Использование же для пропитки матрицы именно галогенида бария связано как с низкой температурой их разложения, так и их летучестью, что позволяет легко откачать галоген.
Указанный технический результат достигается формированием на поверхности катода слоя (покрытия), состоящего из смеси карбида, оксида и металлического бария. Для получения такого покрытия основание катода в виде слоя пористого углеродного материала, например, графита или углеродного волокна, пропитывают насыщенным водным раствором галогенида бария, например, бромидом, иодидом или хлоридом. Затем катод подвергают сушке при температуре 100-120oC в течение 30 минут. Для формирования слоя необходимой толщины операции пропитки и сушки повторяют не менее 3 раз. Далее катод с покрытием подвергают термообработке в динамическом вакууме при остаточном давлении не более 10-7 мм ртутного столба и температуре, равной температуре разложения соответствующего галогенида бария до полного его разложения на металлический барий и галоген. При этом барий частично диффундирует в решетку графита и реагирует с углеродным материалом с образованием карбида или межслойных соединений графит-барий, а после извлечения катода из вакуумной камеры - частично окисляется. Образование на поверхности слоя, состоящего из смеси карбида, оксида и металлического бария, приводит к снижению работы выхода электронов по сравнению с исходным углеродным материалом, т.к. на поверхности образуется тонкий диэлектрический слой оксида бария, который поляризуется при приложении внешнего электрического поля.
Примеры реализации предлагаемого технического решения.
Пример 1. Основание из графита, например, марки МПГ-6 погружают в насыщенный водный раствор бромида бария и выдерживают в нем в течение 3-5 минут, затем его сушат при температуре 100 - 120oC в течение 30 минут. Эти операции (погружение и сушку) повторяют трижды. После этого основание выдерживают в динамическом вакууме при остаточном давлении газов не более 10-7 мм ртутного столба и температуре 850-900oC до полного разложения бромида бария. Время термообработки контролируют по изменению давления. Далее катод изготовляют известным способом.
Пример 2. Основание из углеродного волокна, например, марки ВПР-19с обрабатывают по способу, описанному в примере 1.
Пример 3. Основание из графита, например, марки МПГ-9 погружают в насыщенный водный раствор иодида бария и выдерживают в течение 3-5 минут, затем сушат при температуре 100-120oC в течение 30 минут. Эти операции повторяют трижды. Затем основание подвергают термообработке в вакууме при температуре 750-800oC. Время термообработки контролируют по изменению давления.
Пример 4. Основание из углеродного волокна, например ВПР-19с обрабатывают по способу, описанному в примере 3.
Пример 5. Основание из графита, например, марки МПГ-6 погружают в насыщенный водный раствор хлорида бария и выдерживают в нем в течение 3-5 минут, затем его сушат при температуре 100 - 120oC в течение 30 минут. Эти операции (погружение и сушку) повторяют трижды. После этого основание выдерживают в динамическом вакууме при остаточном давлении газов не более 10-7 мм ртутного столба и температуре 950-1000oC до полного разложения хлорида бария. Время термообработки контролируют по изменению давления. Далее катод изготовляют известным способом.
Пример 6. Основание из углеродного волокна, например, марки ВПР-19с обрабатывают по способу, описанному в примере 5.
Как видно из сравнительных вольт-амперных характеристик (см. график), внедрение бария в графитовый образец приводит к снижению рабочего напряжения питания ~ в 1,5 раза по сравнению с чисто графитовым образцом.
Эмиссионное покрытие наносится на катод для снижения рабочего напряжения питания катода путем снижения работы выхода электронов. Как известно в ряде случаев, например в дисплейных экранах, высокие напряжения питания катода существенно усложняют и удоражают систему управления.
Последнее время в качестве материала покрытия катода используют щелочные или щелочно-земельные материалы, которые имеют низкую работу выхода электронов.
Так известен способ нанесения эмиссионного покрытия на катод путем пропитки пористой матрицы, спеченной из вольфрама, молибдена или сплава вольфрам-молибден, нитратами щелочно-земельных металлов путем ее погружения сначала в раствор соответствующих солей, а затем - в раствор карбоната аммония для перевода нитратов в карбонаты. Далее матрицу прогревают в среде сухого H2 при температуре 1100oC для превращения карбонатов в оксиды [1].
Однако катод с таким покрытием не может работать в автоэмиссионном режиме, так как исходная металлическая матрица не имеет требуемой микроструктуры поверхности, а это, в свою очередь, приводит к тому, что катод с таким покрытием не может быть использован для плоских матричных экранов большой площади, миниатюрных цифровых дисплеев и т.п.
В связи с чем в последнее время возрос интерес к созданию катодов из углеродных материалов и прежде всего из графитов и углеродных волокон, что, в первую очередь, обусловлено низкой стоимостью сырья и простотой изготовления. Использование углеродных материалов для изготовления катодов значительно расширило область их применения, а именно в источниках света для больших рекламных табло, компактных рентгеновских аппаратах, устройствах микроволновой электроники и СВЧ.
Известно также, что углеродные материалы имеют высокую устойчивость к ионной бомбардировке. Несмотря на распыление материала катода, стабильность эмиссионного тока обеспечивается наличием на рабочей поверхности катода большого числа эмиссионных центров и разрушение отдельных центров не приводит к заметному изменению эмиссионного тока. К тому же разрушение старых эмиссионных центров одновременно приводит к формированию новых эмиссионных центров. Внедрение щелочно-земельных металлов в структуру графита позволяет, с одной стороны, сохранить структуру графитового материала, обеспечивающую статистическую стабильность эмиссионного тока при ионной бомбардировке, а, с другой стороны, обеспечить наличие на поверхности катода активирующего материала, обусловленное равномерным его распределением в графитовой матрице.
Известен способ нанесения эмиссионного покрытия на катод путем пропитки пористой матрицы из углеродного материала металлоорганическими соединениями тория, растворенными в органическом растворителе, последующего перевода соединений тория в его аморфный оксид пиролизом на воздухе при температуре порядка 500oC и кристаллизации оксида нагревом в вакууме при температуре порядка 1000oC [2].
Данный способ является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату. Однако катод с таким покрытием будет иметь низкую плотность тока и высокие рабочие напряжения.
Целью данного изобретения является создание такого покрытия на катоде, которое позволило бы последнему работать в автоэмиссионном режиме, при этом обеспечило бы катоду повышенную плотность тока эмиссии при одновременном снижении рабочего напряжения питания.
Техническим результатом изобретения является снижение работы выхода электронов и для этого в качестве щелочно-земельного материала выбран барий. Как известно, оксиды бария имеют низкую работу выхода электронов на уровне 1.6 эВ, а чистый барий - 2.49 эВ. К тому же для бария легко доступны соединения с малыми (600 - 900oС) температурами разложения, и поэтому возможно осуществить пропитку матрицы из углеродного материала раствором соли бария и затем отжечь ее в вакууме до температуры разложения соли. Использование же для пропитки матрицы именно галогенида бария связано как с низкой температурой их разложения, так и их летучестью, что позволяет легко откачать галоген.
Указанный технический результат достигается формированием на поверхности катода слоя (покрытия), состоящего из смеси карбида, оксида и металлического бария. Для получения такого покрытия основание катода в виде слоя пористого углеродного материала, например, графита или углеродного волокна, пропитывают насыщенным водным раствором галогенида бария, например, бромидом, иодидом или хлоридом. Затем катод подвергают сушке при температуре 100-120oC в течение 30 минут. Для формирования слоя необходимой толщины операции пропитки и сушки повторяют не менее 3 раз. Далее катод с покрытием подвергают термообработке в динамическом вакууме при остаточном давлении не более 10-7 мм ртутного столба и температуре, равной температуре разложения соответствующего галогенида бария до полного его разложения на металлический барий и галоген. При этом барий частично диффундирует в решетку графита и реагирует с углеродным материалом с образованием карбида или межслойных соединений графит-барий, а после извлечения катода из вакуумной камеры - частично окисляется. Образование на поверхности слоя, состоящего из смеси карбида, оксида и металлического бария, приводит к снижению работы выхода электронов по сравнению с исходным углеродным материалом, т.к. на поверхности образуется тонкий диэлектрический слой оксида бария, который поляризуется при приложении внешнего электрического поля.
Примеры реализации предлагаемого технического решения.
Пример 1. Основание из графита, например, марки МПГ-6 погружают в насыщенный водный раствор бромида бария и выдерживают в нем в течение 3-5 минут, затем его сушат при температуре 100 - 120oC в течение 30 минут. Эти операции (погружение и сушку) повторяют трижды. После этого основание выдерживают в динамическом вакууме при остаточном давлении газов не более 10-7 мм ртутного столба и температуре 850-900oC до полного разложения бромида бария. Время термообработки контролируют по изменению давления. Далее катод изготовляют известным способом.
Пример 2. Основание из углеродного волокна, например, марки ВПР-19с обрабатывают по способу, описанному в примере 1.
Пример 3. Основание из графита, например, марки МПГ-9 погружают в насыщенный водный раствор иодида бария и выдерживают в течение 3-5 минут, затем сушат при температуре 100-120oC в течение 30 минут. Эти операции повторяют трижды. Затем основание подвергают термообработке в вакууме при температуре 750-800oC. Время термообработки контролируют по изменению давления.
Пример 4. Основание из углеродного волокна, например ВПР-19с обрабатывают по способу, описанному в примере 3.
Пример 5. Основание из графита, например, марки МПГ-6 погружают в насыщенный водный раствор хлорида бария и выдерживают в нем в течение 3-5 минут, затем его сушат при температуре 100 - 120oC в течение 30 минут. Эти операции (погружение и сушку) повторяют трижды. После этого основание выдерживают в динамическом вакууме при остаточном давлении газов не более 10-7 мм ртутного столба и температуре 950-1000oC до полного разложения хлорида бария. Время термообработки контролируют по изменению давления. Далее катод изготовляют известным способом.
Пример 6. Основание из углеродного волокна, например, марки ВПР-19с обрабатывают по способу, описанному в примере 5.
Как видно из сравнительных вольт-амперных характеристик (см. график), внедрение бария в графитовый образец приводит к снижению рабочего напряжения питания ~ в 1,5 раза по сравнению с чисто графитовым образцом.
Медиафайлы
Патенты
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЭМИССИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА КАТОД
RU2177657