CC BY
13
'Приборостроение, системы управления, электронная и электротехническая промышленности
УДК 621.385.032
РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛОПОРИСТЫХ КАТОДОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ЭМИССИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ
DEVELOPMENT OF METAL-POROUS CATHODE WITH IMPROVED EMISSION PROPERTIES
DOI: 10.24412/CL-35807-2022-1-28-30
Крачковская Т. М., начальник сектора, кандидат технических наук, АО «НПП «Алмаз»
Krachkovskaya T. M., head of the sector, candidate of technical sciences, SC «NPP «Almaz»
Аннотация. Исследование посвящено металлопо-ристым катодам (МПК) для СВЧ-приборов. Цель работы: повышение эмиссионной способности и долговечности МПК за счет его модификации наноуглеродными частицами.
Проведен расчет физических и энергетических параметров взаимодействия наноуглеродных структур с компонентами МПК.
Разработана конструкция и технология изготовления МПК с использованием сульфоаддукта нанокластеров углерода — Углерона® в составе активного вещества и метал-лопористого диска с добавкой полиэдральных наночастиц фуллероидного типа тороидальной формы — Астраленов®.
МПК, модифицированные наноуглеродом, с пленкой осмия в составе диодных макетов показали увеличенную эмиссионную способность относительно типовых ~ в 1,5 раза, а также повышенную ресурсную долговечность до 1400 тыс. часов при плотности тока 2 А/см2 в составе ЛБВ космического назначения.
Annotation. The study is devoted to metal-porous cathodes (MPC) for microwave devices. The aim of the work is to increase the emissivity and durability of the MPC due to its modification with nanocarbon particles.
The calculation of the physical and energy parameters of the interaction of nanocarbon structures with the components of the MPC was carried out.
The design and technology for the manufacture of MPC using the sulfoadduct of carbon nanoclusters — Ugleron® in the composition of the active substance, and a metal-porous disk with the addition of polyhedral nanoparticles of the ful-leroid type of toroidal shape — Astralens® were developed.
MPCs modified with nanocarbon with an osmium film in diode layouts showed an increased emissivity relative to typical ~1.5 times, as well as an increased resource durability up to 1500 thousand hours at a current density of 2 A/cm2 in TWT for space purposes.
Ключевые слова: металлопористый катод, эмиссия, долговечность, наноуглерод, углерон, астрален.
Keywords: metal-porous cathode, emission, durability, nanocarbon, ugleron, astralen.
На сегодняшний день электровакуумные приборы СВЧ-диапазона широко применяются в различных радиотехнических системах, эксплуатационные характеристики которых требуют постоянного улучшения.
Повышение долговечности и надежности остается актуальной проблемой, в частности, для спутниковых ЛБВ требуется обеспечить безотказную работу в течение не менее 170 тыс. часов при плотности тока до 2 А/см2. Достижение таких параметров возможно путем усовершенствования источника электронов, в качестве которого в указанном типе приборов выступает металлопористый катод (МПК). Дополнительным требованием, предъявляемым к МПК со стороны ЛБВ, является повышение плотности отбираемого тока, которое достигается увеличением его рабочей температуры. Однако при этом снижается долговечность работы МПК вследствие высокой скорости испарения активного вещества.
К известным методам повышения эксплуатационных параметров МПК относятся: применение составов активного вещества с пониженной скоростью испарения (например, с окисью скандия), использование смешанной с металлами платиновой группы (осмий, рутений и др.) вольфрамовой матрицы и конструкции МПК с двухслойной губкой, а также подбор материалов, понижающих интегральную работу выхода [1]. Кроме того, возможно сочетание указанных способов. Лучшие результаты испытаний на долговечность таких катодов показывают до 180—200 тыс. часов при плотности тока 2 А/см2. Однако существуют проблемы повторяемости, дороговизны и трудоемкости изготовления указанных типов МПК.
С другой стороны, современными перспективными материалами с точки зрения эмиссионных и долговечнос-тных свойств являются углеродные нанокластеры, которые активно изучаются в настоящее время [2—5].
45
35
25
15
45
35
25
15
2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 ин, В -#- 0 часов 1000 часов 2000 часов 3000 часов
а)
2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 ин, В -#- 0 часов 2674 часов 3375 часов 4470 часов б)
Рис. 1. Семейство недокальных характеристик при различной наработке: а) первой ЛБВ; б) второй ЛБВ
В данной работе для повышения срока службы МПК и прибора в целом предлагается модификация катода углеродными нанокластерами, Астраленами® в составе вольфрамовой губки и Углероном® в составе активного вещества — алюмината бария-кальция.
В работах [6—7] описана технология изготовления и структурные характеристики модифицированных наноуглеродом катодов. Проведенные в [8] расчеты физических и энергетических параметров взаимодействия наноуглеродных структур с компонентами МПК показали, что адсорбция бария и его оксида на моно- и бислой-ном графене приводит к снижению работы выхода такой системы, а также энергетически более выгодным является нахождение функциональных групп —Ва и —ВаО в полости наноуглеродных частиц, что приведет к снижению скорости испарения при их добавлении в состав активного вещества МПК.
Исследование электронной эмиссии, изготовленных по новой технологии МПК, проведенное методом недокальных характеристик в диодных макетах, показало увеличенную эмиссионную способность осмированного катода, модифицированного Астраленами®, относительно типовых ~ в 1,5 раза. Данный эффект объясняется снижением работы выхода электронов с поверхности МПК минимальное значение которой, определенное по методу прямых Ричардсона, составило 1,79 эВ для такого катода [9].
Проведенная оценка долговечности МПК с добавкой наноуглерода в различных комбинациях в режиме форсированных по температуре испытаний в диодных макетах показала, что модификация активного вещества типового катода Углерона® приводит к увеличению эмиссионной долговечности. Полученный результат объясняется снижением скорости испарения активного вещества ~ в 1,5 раза, зафиксированного качест-
венно изучением противолежащих катоду анодов методом сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального анализа и количественно методом Беккера и методом пьезоквар-цевого микровзвешивания [7—9].
На последнем этапе исследовался срок службы МПК, модифицированных Астраленами® и Углероном®, в составе двух ЛБВ космического назначения с плотностью тока катода 0,645 А/см2 в непрерывном режиме. Для первого прибора испытания проводились в форсированном режиме с коэффициентом ускорения 1024; для второго прибора — с коэффициентом ускорения 256, аналогичным для периодических испытаний ЛБВ этого типа при их промышленном производстве для радиотрансляторов спутников связи, что позволяет более точно сопоставить результаты испытаний модифицированного и типового катода. Ранее, при выполнении испытания на долговечность и ресурс экспериментального образца ЛБВ этого типа с типовым МПК двухслойной конструкции, наработка в форсированном режиме составила 780 ч, что соответствует 199 680 ч наработки в паспортном режиме [10].
На рисунке 1 представлено семейство недо-кальных характеристик обоих приборов с течением времени.
Из рисунка следует, что катоды сохраняют свои эмиссионные свойства для первого прибора в режиме форсированных испытаний до наработки 3000 часов (соответствует 3 072 000 ч наработки в паспортном режиме) и для второго прибора при наработке 4470 часов (эквивалентно 1 144 320 ч в паспортном режиме) падение катодного тока при рабочем напряжении 3,1 В не превышает 10 %, что говорит о том, что приборы еще работоспособны.
Срок службы первой ЛБВ составляет около 1400 тыс. ч ресурсной долговечности в пересчете на плотность тока 2 А/см2 по методике [11].
Испытания второй ЛБВ будут продолжены до получения полной информации по максимальной наработке второго образца.
Проведенные испытания на ресурсную долговечность катодов с Астраленами® и Углероном® в составе приборов показали рекордную наработку. Полученные результаты объясняются пониженной скоростью испарения активного вещест-
ва с добавкой Углерона® и снижением диффузии вольфрама в осмиевый слой МПК, модифицированного Астраленами® в матрице, под действием электрического поля [7—9].
Следовательно, дальнейшая разработка МПК с наноуглеродом является перспективной для применения таких катодов в сверхдолговечных приборах СВЧ.
Список литературы
1. Krachkovskaya T. M., Sahadji G. V., Zhuravlev S. D. Modem electron sources for TWTs in millimeter and submillimeter ranges // Zhurnal Radioelektroniki. — Journal of Radio Electronics. — 2017. — No. 12. Available at http://jre.cplire.ru/jre/ dec17/5/text.pdf.
2. Shames A. I., Felner I., Osipov V. Yu., Katz E. A., Mogilko E., Grinblat J., Panich A. M., Belousov V. P., Belousova I. M., and Ponomarev A. N. п-Electron Network in Large Polyhedral Multi-Shell Carbon Nanoparticles // Nanoscience and Nanotechnology Letters. — 2011. — Vol. 3. — pp. 41—48.
3. Liang Shi-Jun and Ang Electron L. K. Thermionic Emission from Graphene and a Thermionic Energy Converter // Physical review applied. — 2015. — V. 3 (014002). — pp. 014002-1—014002-8. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.3.014002.
4. Тормозов В. Т. Металлопористый катод, модифицированный графеном / В. Т. Тормозов, П. В. Мизинов, М. Г. Рыбин, Е. В. Жарый, В. А. Резнев, Е. Д. Образцова, Е. А. Образцова // Электронная техника, Сер. 1, СВЧ-техника. — 2019. — Вып. 4 (543). — С. 43—52.
5. Gong X., Fan H., Dong C., Sun X., Bao Z., Liang T., Hu W. Emission Perfopmance of Graphene-Coateed Ba-W Cathode // IEEE, 2021.
6. Патент 2658646 Российская Федерация, МПК H01J9/04. Металлопористый катод и способ его изготовления / Крачковская Т. М., Сахаджи Г. В., Сторублев А. В., Пономарев А. Н.; заявитель и патентообладатель АО «НПП «Алмаз». — № 217122701; заявл. 27.06.2017; опубл. 22.06.2018, Бюл. № 18. — 6 с.
7. Крачковская Т. М., Сторублев А. В., Сахаджи Г. В., Емельянов А. С. Исследование характеристик металлопорис-того катода, модифицированного наноуглеродом // Известия вузов России. Радиоэлектроника. — 2018. — № 4. — С. 57—63. DOI: 10.32603/1993-8985-2018-21-4-57-63.
8. Крачковская Т. М. Металлопористые катоды, модифицированные наноуглеродом, с высокой долговечностью для применения в приборах СВЧ / Т. М. Крачковская, Л. А. Мельников, О. Е. Глухова, В. В. Шунаев, П. Д. Шалаев // Письма в ЖТФ. — 2020. — Т. 46. — Вып. 13. — С. 51—54. DOI: 10.21883/PJTF.2020.13.49593.18315
9. Крачковская Т. М., Мельников Л. А. Перспективы применения различных форм наноуглерода в катодных системах // Электронная техника, Сер. 1, СВЧ-техника. — 2019. — Вып. 3 (542). — С. 6—14.
10. Шалаев П. Д. Результаты разработки образца ЛБВ средней мощности в трехсантиметровом диапазоне с КПД до 69 % // Материалы науч.-техн. конф. «Перспективы развития электроники и вакуумной техники на период 2001—2006 гг.» (Саратов ГНПП «Контакт» 22—23 февраля 2001). — Саратов: Изд. Саратовского ун-та.
11. Dieumegard D. Life test performance of thermonic cathodes / D. Dieumegard, J. C. Tonnerre, D. Brion, A. M. Shroff // App. Surf. Sci. — 1997. — Vol. 111. — pp. 84—89.
