Размещено на http: //www. allbest. ru/

Размещено на http: //www. allbest. ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики

Выпускная квалификационная работа - магистерская диссертация

по направлению подготовки 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника»

Исследование влияния технологии изготовления катодов на их физические и структурные свойства для накаливаемых и безнакальных магнетронов

студента образовательной программы магистратуры

Кувшинов Павел Евгеньевич

Научный руководитель:

Г. Г. Бондаренко

Москва 2017



Аннотация

эмиссия термоэлектронный катод вольфрам

В данной выпускной работе в процессе исследования разных составов порошков, был установлен наиболее оптимальный гранулометрический состав для порошков вольфрама, используемых для изготовления катодов, используемых в накаливаемых и безнакальных магнетронов.

Выявлено, что наиболее эффективным из способов удаления лишней фракции из состава порошка - седиментация.

Сравнительный анализ технологий прессования, показали, что использование способа изготовления пены тела прессования в матрице позволяет:

- существенно упростить технологию производства губчатого тела

для получения более равномерной пористости

для упрощения процесса измерения пористости заготовки

- для получения более эффективного использования вольфрамового порошка.

Определены методы измерения, необходимые для изучения эмиссионных свойств катода.

Объем выпускной квалификационной работы - 58 стр. ВКР включает в себя разделы: введение, две главы, выводы и список литературы. При написании работы были использованы статьи, публикации и книги.



Annotation

In this final qualification in the study of powders were installed optimum particle size distribution of powders of tungsten, which is used for the manufacture of the IPC.

It is revealed that the Effective way to remove the fraction from the composition of the powder is sedimentation.

Comparative analysis of technologies for pressing (pressing and hydrostatic pressing in a metal mold) has shown that the use of the method of manufacturing a foam body pressing in the matrix allows you to:

- significantly simplify the technology of production of spongy body

to obtain a more uniform porosity

to simplify the process of measuring the porosity of a workpiece

- for more effective use of tungsten powder.

Defined measurement methods needed to study the emission properties of the cathode.

The amount of qualifying work - 58 p. the Work consists of introduction, two chapters, conclusions and list of references. When writing was used articles, publications and books.



Оглавление

• Аннотация
• Annotation
• Введение
• 1. Литературный обзор
• 1.1 Электронная эмиссия и ее различные виды
• 1.2 Термоэлектронные катоды и их основные типы
• 1.3 Металлопористые катоды с пропиткой
• 1.4 Катоды и их назначение
• 1.5 Свойства и типы катодов
• 1.6 Параметры, которые отвечают за качество термокатодов
• 1.7 Свойства вольфрама
• 1.8 Порошок вольфрама
• 1.9 Материалы, для изготовления катодов
• 1.10 Активные вещества в катодах и их свойства
• 1.11 Необходимые требования к различным порошкам металлов
• 1.12 Используемые вольфрамовые порошки в металлургии
• 2. Методическая часть
• 2.1 Металлопористые катоды и их основные характеристики
• 2.2 Технологии изготовления металлопористых вольфрам-алюминатных катодов
• 3. Эксперимент и его результаты
• 3.1 Исследование порошков
• 3.2 Методика и технология прессования заготовок
• 3.3 Спекание изделий
• 3.4 Эмиссионные свойства и их исследование
• Выводы

Список литературы



Введение

На сегодняшний день из-за усиленного совершенствования специальной техники, применяемой в таких сферах, как авиа- и ракетостроение, а также в дальней локации, ужесточились требования к электровакуумным приборам: клистронам, лампам бегущей волны (ЛБВ), магнетронам и другим.

Как следствие, возникла необходимость разработки более безопасных и прочных катодной системы, которые являются ключевыми, а также особенно уязвимы элементов вакуумных приборов (ЭВП).

На сегодняшний день, наиболее распространёнными являются металлопористые вольфрам-алюминатные катоды, которые используются повсеместностно, и в частности, в производстве электровакуумных приборов СВЧ магнетронного типа.

Рисунок 1 Магнетрон марки Ми-482



1 Литературный обзор

1.1 Электронная эмиссия и ее различные виды

Электронная эмиссия - испускание электронов, имеющих энергию Ферми E_F твердого тела в пространстве с нулевой энергией (т. е. электронов, прошедших потенциальный барьер).

Существует 3 формы эмиссии электронов:

1. Эмиссия с ранним возбуждением (эмиссия термоэлектронная, вторичная электронная эмиссия)

2. Эмиссия без раннего возбужденем (эмиссия автоэлектронная)

3. Смешанный выпуск (эмиссия термоавтоэлектронная)

Эмиссия с ранним возбуждением:

1)Термоэлектронная эмиссия - это испускание пучков электронов из-за повешенной температуры твердого тела. Источник происхождения энергии - тепловая энергия решетки, благодаря ей происходит испускание возбужденных электронов. При повышении температуры доля электронов перемещается на более высокие энергетические уровни, включая и такие, где Е_вых>0, это происходит посредством тепловых колебаний атомов решетки. В то же время, эмитированы телом могут быть только электроны с уровнем энергии Е_вых>0.

2)Вторичная электронная эмиссия происходит в процессе облучения тела первичными электронами, в результате чего распространяются вторичные электроны. В данном виде эмиссии источником энергии у возбужденых электронов выступает энергия кинетическая электронов первичных, а также, посредством кулоновских взаимодействий, осуществляется возбуждение электронов по всему телу. И последняя из эмиссий с ранним возбуждением - фотоэлектронная эмиссиия.

3)Фотоэлектронная эмиссия - это процесс, который испускает электроны твердого тела облучается поверхность световой поток. В то же время, в качестве источника энергии возбуждения электронов из тела выступает в качестве энергии электромагнитных

Эмиссия без предварительного возбуждения (поле излучения): этот тип излучения является эмиссия электронов из поверхности тела для создания сильного электрического поля на границах тела, которая повышает электронов с поверхности (Е_пов10⁶ - 10⁷в•см^-1). Пороговый потенциал может быть потенциальный барьер, если нам навязывают внешнее поле, который будет тянуть электроны с поверхности тела, при этом, чем сильнее поле, тем меньше порог. В процессе невозбужденных электронов в организме может покинуть тело с помощью туннельного эффекта.

Полевая эмиссия характеризуется величиной плотности тока ja, которые, в свою очередь, во многом зависит от напряженности поля ЕУ поверхности тела. Для примера, плотность тока для металла можно рассчитать по формуле: j_aехр[-К/E], (К - некоторая постоянная для данного тела величина).

Следующая эмиссия-это смешанные:

Эмиссия термоавтоэлектронная. За счет туннельного эффекта излучения и возбужденных и невозбужденных электронов. В то же время, возможность проникновения возбужденных электронов через барьер. Как результат, можно заметить, что в настоящее время в области увеличивается выброс при том же значении Е по сравнению с ее значением при t=0. Если увеличить температуру, воспроизводство автоэлектронная будет зависеть от процесса прохождения электронов через барьер можно, а процессы их термического возбуждения.

1.2 Термоэлектронные катоды и их основные типы

Металлосплавные, металлопористые и оксида вольфрама катоды алюмината являются ключевыми в производстве электровакуумных приборов.

Оксидный катод представляет собой катод, состоящий из губки никель тела, которые покрыты или пропитаны эмиссионно-активного вещества. Это вещество на основе имеет состав карбонатов, щелочноземельных металлов (барий-кальций-стронций).

В основном в производстве сердечников для катодов используют никель и сплав никеля и вольфрама, такие как: НВ-2, НВ-5, и т. д., в то время как излучающие тела образуется на поверхности (цилиндрической или конец), состоящий из губчатого никеля, пропитанного суспензией тройной карбонат бария-кальция-стронция. Чтобы произвести нагрев катодов внутри ядра обычно ставят нагреватель из вольфрамовой проволоки или проволоки из сплава вольфрама и рения (меньше вольфрама или молибдена), покрытые слоем алунда (Al₂O₃) с толщиной 20-30 мкм. Следует отметить, что недостатки катода включают в себя сложность получения большой плотности тока эмиссии, а также наличие частичного падения напряжения вдоль катода и магнитного поля за счет токопрохождения через спираль нагревателя, таким образом, влияющих на движение электронов. Наиболее значительные недостатки оксидного катода являются: низкая тепло- и электропроводность оксидного слоя, который, в свою очередь, приводит к зарядка от поверхности катода или перегрев, плохое сопротивление оксидного слоя для деградирующего влияния электронной и ионной бомбардировки и т. д.

Металлосплавные катоды изготовлены методом порошковой металлургии из смеси порошков, например, иридий, платину, палладий, рений, осмий и др. с компонентами выбросов-активные, которые интерметаллических соединений щелочноземельных или редкоземельных металлов. В процессе производства катодов, тщательное перемешивание происходит, прессование в специальной технологической оснастки рабочей смеси, состоящей из порошков металлов и связанные с интерметаллических соединений, которые затем спекают при соответствующей температуре в вакууме, при остаточном давлении газа Р 5ЃE10^-4 Па. В этом случае температура спекания зависит от состава катода. Например, температура спекания палладиевых катодов 1050С бариевых, платина-бариевых и иридий-лантанового, соответственно, 1250С и 1900-х годов.

Во время работы устройства, в процессе нагрева катода является реакция распада (разложения) интеметаллического соединения с последующим созданием уже освобожденными активными металлами. Активатор (Ба, Ла, Е, Г, и т. д.), которая формируется, подается на излучающие поверхности, формируя, в то же время, это плоскость излучения (монослои активатор снижает уровень Ферми и, следовательно, приводит к снижению работы выхода электронов).

На сегодняшний день наиболее часто используется палладий-барий, иридий-лантанового и платина-барий металлофон катодов.

Металлосплавные, металлопористые и оксидные, вольфрам алюминатные катоды являются ключевыми в производстве электровакуумных приборов.

Оксидный катод представляет собой катод, который состоит из пористого, губчатого тела из никеля, который покрыт или пропитан активным эмиссионным веществом, который имеет структуру на основе карбонатов щелочноземельных металлов (барий-стронций-кальций).

В основном, при производстве кернов для катодов используют никель, а также сплав никеля с вольфрамом, такие как: НВ-2, НВ-5 и др., при этом, образуется эмитирующее тело на поверхности (цилиндрической или торцевой), состоящее из никелевой губки, которая пропитана суспензией тройного карбоната бария-кальция-стронция. Чтобы произвести нагрев катодов, внутрь керна обычно помещают подогреватель из тонкой вольфрамовой нити или нити из сплава рения и вольфрама, которая покрыта слоем под названием алунда (Al₂O₃), примерной толщиной, примерно 18-28 мкм. Хотелось отметить, что к числу недостатков катодов относят то, что получение больших плотностей токи эмиссии весьма сложное, а также, присутствие частичного падения напряжения катода, непосредственно вдоль него самого и магнитного поля, которое объясняется токопрохождением через спирали подогревателя и, таким образом, меняющих движение электронов. Самыми значительными минусами оксидного катода, как правило, являются: низкая теплопроводность и достаточно малая электропроводность оксидного слоя, которая, в свою очередь, приводит к перегреву поверхности, а также слабая устойчивость оксидного слоя к воздействию ионной и электронной бомбардировке.

1.3 Металлопористые катоды с пропиткой

Пропитанные и отжатый (прессованный) катоды состоят из пористой губки изготовлены из тугоплавких металлов, в частности вольфрама, поры которой заполнены активным веществом. Замечу, что в первом случае, активные вещества пропитывают готовые губки, а второй - для этого смесь порошков вольфрама с мелким зерном порошка активного вещества (бария алюминат кальция), который прессуют в стальной пресс-форме и спекают в среде водорода.

Мочалка изготовлена из смеси (сплавы), а также из порошков тугоплавких металлов. Часто при изготовлении тела губки использовать металлы, такие как вольфрам, рений и молибден. Губку также можно ввести в том числе активирующих добавок, а именно циркония гидрид, гидрид титана и др.

Активные вещества, заполняющего поры губки, является алюминатом бария и кальция, например, в 2,5 Бао*0,4 САО*Аl2о3; 3,0 ВАО*0.5 САО*Аl2о3; 4.0 Бао*0.6 САО*Аl2о3 и др. В процессе свободного бария образуется, которая активирует катод после взаимодействия с металлической губкой (восстановителя).

Что касается других типов катодов, способу изготовления они могут быть прессованные, пропитанные, прессование пропитанных составом активного вещества различают алюмината, вольфрама, алюмосиликат и другие катоды.

При изготовлении сердечников наиболее часто используются молибденовые листы: с объемной сжатия на вращающейся оправке или, которого подвергли механической обработке от твердого молибденового прутка. Решение об использовании этого материала обусловлен несколькими факторами: его высокая теплопроводность, относительно низкая скорость испарения, высокой размерной стабильностью и практически совпадает с губкой коэффициент расширения катода, что обеспечивает надежную механическую и электрическую связь.

Прессованные и пропитанные катоды часто используется для более плотного выбросов тока потому что они имеют гораздо более высокую устойчивость к ионной и электронной бомбардировки, стабильность параметров излучения и т. д. что особенно сказывается на надежности электронных устройств, состоящий из одной или других видов оборудования. За исключением высокой степенью выбросов, эти катоды являются также следующие требования:

1. Поверхность с равномерным распределением излучения.

2. Низкая скорость испарения с поверхности бария.

3. Достаточно длительный рабочий режим.

4. Гладкая излучающая поверхность.

5. Сопротивление к отравлению во время хранения или эксплуатации.

6. Устойчивость к электронной и ионной бомбардировке.

7. Высокую механическую прочность.

8. Не слишком высокая Рабочая температура.

Кроме того, для катода используется в магнетрон, имеет значение коэффициент эмиссии вторичных электронов, величина которого должна быть постоянной в процессе эксплуатации устройства.



1.4 Катоды и их назначение

Использование катодов металлопористых работы в СВЧ-устройствах, которые, в первую очередь, требуется повысить плотность тока в статическом режиме (более 0,5 А/см²) или импульсном режиме, похожее на статическое (Длительность импульсов и частота посылок).

Также, металлопористые катоды имеют широко нахождение в применении в мощных магнетронных установках, разница которых относительно высокими энергии значения "обратных" электронов; и в ионных приборов, в частности, в ионных или плазменных инжекторах или в устройствах, работающих при повышенных механических нагрузок (ударов, вибраций, перегрузок и др.).

1.5 Свойства и типы катодов

Металлопористые катоды позволяют выбрать токи плотностью от 0,5 до 6А/см² в статическом режиме и до 20-30А/ см² в импульсном режиме.

Надежность катода, в первую очередь, определяется температурой катода, в условиях вакуума, плотность тока выбирается и тип катода. Долговечность во многом зависит от температуры: например, когда температура поднимается до 60-70С прочность снижается в 8-10 раз; увеличение плотности тока приводит к снижению прочности, а в случае ухудшения вакуума в устройстве.

Импрегнированные катоды являются более долговечными, чем экструдированный.

Скорость испарения.

На скорость испарения колеблется от 1-2·10^-8 до1-5·10^-10 г/см²·с при температуре 1150С в зависимости от типа катода. Проводя аналогию с долговечностью катодов, это также существенно зависят от температуры. При использовании катода в течение длительного периода времени, скорость испарения снижается в несколько раз, и в то же время, скорость испарения пропитанного катода выше, чем прессованные.

На устойчивость катодов эффект отравления как остаточное давление газа, температуру и состав, и свойства катода. Катоды реагируют на кислород и хлор. Температура, при которой он становится заметен отравление катода - 1150С, когда давление кислорода, равное 1-5·10^-7 тор. При прочих равных условиях, снижение температуры оказывает более сильное влияние на отравление катода. Кроме газов и паров металлопористые катоды отравившись парами металлов (серебро, золото, титан и т. д.).

Полное восстановление отравленные катоды могут быть произведены только путем нагревания их при высоких температурах (до 1200С). Однако, после продолжительного и глубокого отравления катодов до сих пор не могу активировать.

Температура, при которой стабильно все операции катода варьируется в зависимости от требований к катоду, от 950 до 1200С.

Все ключевые свойства (плотность тока, скорость испарения, сопротивление к яду), которые присутствуют в катодах металлопористых связаны друг с другом. В результате, довольно сложно одновременно удовлетворить все требования, предъявляемые к катоду. Например, если говорить о спросе на увеличении плотности тока, это приводит к уменьшению прочности катода, в то же время, снижения скорости испарения приводит к необходимости снижения рабочей температуры катода и снизить ее устойчивость к отравлению и т. д.

1.6 Параметры, которые отвечают за качество термокатодов

При организации электронного потока в электровакуумных приборах применяется термоэлектронная эмиссия, при которой, катод прогревается электрическим током до поставленной температуры, которая называется рабочей температурой. По причине того, что при нагревании катода производятся затраты некоторой электрической мощности, лучше всего, чтобы катод был экономичным, т.е. при малой мощности, используемой на его нагрев, излучал большее количество электронов. В данном случае под экономичностью понимается некоторая величина, так называемая эффективность катода.

Эффективность катода - это отношение полного тока эмиссии, т. е. мощности РН, потребляемой для отопления при рабочей температуре.

Н=С/РН,

где Н-эффективность катода [ма/Вт]; s-площадь излучения ток [ма]; PН-мощность, затрачиваемая на нагрев катода [Вт].

Большое количество эффективности позволяет увеличить ток эмиссии с катода, и потреблять такую же мощность.

Удельные выбросы определяются величиной тока эмиссии на каждый квадратный сантиметр поверхности катода при рабочей температуре.

I_уд=I_e/S_кат (2)

где I_уд - удельные выбросы [ма/см2]; т. е. ток эмиссии катода [ма]; S_кат - полный катодной поверхности [см2].

В свою очередь, на конкретный вопрос затрагивает оба материала катода и его температуры, т. е. рост удельных выбросов, чем меньше площадь катода.

Долговечность катода (срок службы) ф, час-время, в течение которого катод может обеспечить значение плотности тока эмиссии J в пределах установленных лимитов. Более длительный срок использования определяется в первую очередь запасом и скорость испарения активного вещества и отравления катода выбрасываемых газов, сопротивление катода в электронном облучении, срок службы сердечник подогревателя катода и т. д.

Некоторые катоды имеют высокий запас прочности и используются от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч часов.

1.7 Свойства вольфрама

Физические и химические свойства вольфрама и некоторые сведения

Вольфрам позиционирует себя как элемент шестой группы периодической системы Менделеева, с его атомным номером 74 относительная атомная масса 183,85. Это самый тугоплавки, а также тяжелый метал, имеет светло-серые цвета, его удельный вес составляет 19,3; температура плавления при нормальных условиях - 3410С.

Наиболее важные физические свойства вольфрама, представленных в таблице №1.

Высокая температура плавления, очень низкая скорость испарения, низкое значение коэффициента линейного расширения и существенной теплопроводностью главные отличительные особенности этого вещества.

Что касается электрических свойств, вольфрам - металл с достаточно высоким значением удельного электрического сопротивления и температурного коэффициента, в свою очередь, дает возможность быстро нагреть его до высоких температур при относительно малом потреблении энергии. При использовании этого металла в качестве вакуумных устройств, важно иметь удельное электрическое сопротивление.

В связи с высоким уровнем работы выхода вольфрама, значительные токи эмиссии катодов возможно только в области температур свыше 210С, наблюдается сильное увеличение мощности излучения вольфрама при нагреве до температур выше 2220С.

Физические свойства вольфрама: определяющие его возможность использования в вакуумной технике.



Рис. 2

Механические свойства вольфрама

Механические свойства и некоторые характеристики вольфрама представлены



Рис. 3

По данным таблицы, можно сделать вывод, что перед использованием термической обработки вольфрама имеет высокое значение прочности на растяжение, предел текучести и модуль упругости при малой величине относительного удлинения.

Однако производство электровакуумных приборов, как вольфрам и изделия из них должен подвергаться термической обработке в целях очищения, а также для получения устойчивой металлической конструкции.

1.8 Порошок вольфрама

При производстве различных изделий и материалов из которых они состоят метод порошковой металлургии включает три основные операции, а именно: получение порошков, формование из них заготовок и их непосредственное спекание.

Различные методы производства металлических порошков связано с тем, что существует большое разнообразие различных требований, которые предъявляют к порошкам, в зависимости от области их применения, а также свойства самих металлов. Наиболее оптимальным можно считать, так сказать, условное деление этих методов на два раздела: физико-химические и механические.

Итак, первый-это технологические процессы производства порошков, которые непосредственно связаны с глубокими физико-химическими изменениями сырья. Затем полученный порошок, который сильно отличается от исходного материала по химическому составу и по его внутренней структуре. Наиболее применяемой является методика восстановления оксидов металлов и других твердых и газообразных соединений; также можно применить электролиз растворов водных или расплавленных солей карбонильной диссоциации.

В свою очередь, механические способы, как правило способные обеспечивать превращение исходного материала в порошок без существенного изменения его химического состава. В большинстве случаев, метод, используемый для дробления и измельчения твердых материалов; диспергирования расплава и грануляции расплава.

Основной способ получения вольфрамового порошка является способ извлечения триоксида вольфрама.

Вы можете выбрать различные способы формирования, а именно, прессование в стальных пресс-форм; гидростатическое и газостатической формовки; выскальзывания формируя; прокатка металлического порошка; формирование мундштук; формирование колебаний и формирования импульсов. В то же время, в основном, для вольфрамового порошка используются такие методы, как прессование в стальных пресс-форм с добавлением пластификатора, а также гидростатического прессования в эластичных оболочках.

Наиболее важные технологические процессы порошковой металлургии включают, в том числе спекания, которая во многом определяет конечные свойства получаемых материалов и изделий.

Спекание-это процесс, с помощью которого нагревается и экстракт формирования порошка, установка температуры ниже точки плавления основного компонента для того, чтобы иметь возможность обеспечивать заданные механические и физико-химические свойства.

Существуют следующие типы процессов: твердофазного (без формирования расплава в процессе нагрева); жидкая фаза (в которой любой легкоплавкие компоненты смеси порошков в процессе нагрева плавится); спекание под давлением и горячего прессования.

Рассмотрим, как производится спекание вольфрамового порошка. Есть две стадии этого процесса. В данном случае, при низкой температуре предварительного спекания проводится с целью придания прочности штабика при температуре 850-1300С, достаточной для последующего высокотемпературного обжига. Для того чтобы произвести материал с требуемой пористостью ~27%, достигаются высокие температуры спекания штабиков, постепенно нагревая их до 200С.

Свойств и характеристик исходных порошков имеют решающее значение на качество полуфабрикатов и изделий, полученных методами порошковой металлургии, а также масштабы производства. Условно такие свойства могут быть разделены на 3 группы: свойства, присущие металлу; характеристики отдельных частиц порошка; характеристики порошкообразной массы. Характеристики вольфрама, таких как плотность, кристаллическую структуру, температура плавления определяется исключительно по своим физико-химической природы. Каждая частица порошка характеризуется плотностью, диаметр частиц, его форма, поверхности, состояния поверхности, микроструктура. Масса порошка характеризуется распределением частиц по размерам (средний размер частиц и распределение частиц по размерам), средняя характерная форма частиц, удельная поверхность, насыпная масса, текучесть, трение между частицами, уплотняемость.

1.9 Материалы, для изготовления катодов

Преимущественное использование для изготовления губки катоды, полученные порошка вольфрама марки ВЧ, основная масса зерна, который имеет размер 0,5-2 мкм. Размер частиц порошка влияет на скорость испарения бария из катодов и их способности эмиссии. Таким образом, применять порошки с различным размером зерна, в зависимости от требований катода.

Активное вещество (алюминатов, вольфраматов, силикаты и т. д.) изготавливаются из порошков марки ХЧ, ЧДА: карбонаты бария и кальция, гидроксид алюминия, оксид алюминия, трехокись вольфрама и окись кремния. В данном случае, состава зерна этих веществ может колебаться в широких пределах. Однако, после использования в производстве активных веществ, прямого смешивания, средний размер зерна не превышает нескольких микрон.

В прессованных катодов вольфрама в качестве восстановителя выступает металлический алюминий марки АВ000. Алюминиевый порошок изготавливается из металла с чистого алюминия 99.99%. Зерна имеют вид шестигранников или шариков.

Одинаково, при изготовлении катода с использованием бескислородной меди марки МБ, парафино-класс (высокоочищенный), азотной кислоты марки ХЧ.



1.10 Активные вещества в катодах и их свойства

Основные характеристики активного вещества оказывают непосредственное изменение на скорость текучести (испарения) бария, эмиссионную способность и устойчивость к отравлению остаточными газами.

К различным свойствам, которыми, в свою очередь, должны обладать активные вещества, относят:

а) умение испускать количество активатора (бария), которое необходимо при взаимодействии с восстановителем;

б) минимальное выделение газов и других испарений при обработке поверхности катода;

в) достаточная долговечность на открытом воздухе;

г) заданная или определенная температура плавления (у большинства материалов).

Невзирая на значительное снижение активности агента, уменьшение содержания бария в качестве активного вещества может привести к тому, что ее выделения является недостаточным для активации катода. В свою очередь, будут увеличиваться возможности эмиссии катода и, в то же время, уменьшая скорость испарения бария из него, если вы делаете Введение в алюмината бария оксида кальция.

Выбор активного вещества газов усложняет обработку катода в лампе. В частности, использование карбонатов бария в катоде прессовали в качестве активного вещества, может привести к долговременному выделению окиси углерода в процессе обработки катода.

Отсутствие стабильности активных веществ в воздухе может происходить так, как они поглощают водяной пар и углекислый газ, который впоследствии при дальнейшем нагревании катода выделяются, окисляя металлические губки. Испарение воды при нагревании может привести к нарушению пористость губки, и даже его частичное разрушение.

В значительной степени на эффективность пропитки бисквита влияет на температуру плавления активного вещества. На очень высокой температурой плавления возникнуть трудности в процессе пропитки. Однако, при высокой температуре происходит интенсивное выделение бария, который уменьшает срок службы катода. В свою очередь, может начать плавления активного вещества при использовании катода электронного прибора, а также интенсивное испарение бария, если его использовать чрезвычайно низкой температурой плавления активных веществ приближается к рабочей температуре катода

1.11 Необходимые требования к различным порошкам металлов

Зернистость. Существуют определенные требования, предъявляемые к губкам металлопористого катода, к примеру: определенная пористость,

обеспечить достаточный и равномерный поток атомов бария на излучающей поверхности.

Пористость губки может быть определена с использованием метода гидростатического взвешивания с предварительного кипячения образцов в воде. В процессе производства, пористость губки определяется с использованием косвенного метода, проходимость воздушного потока (давления).

Воздухопроницаемость-это показатель давления потока воздуха через образец, покрытый слоем спирта. Давление устанавливается, в первую очередь, когда происходит появление первых пузырьков воздуха и в тот момент, когда появляются пузырьки воздуха по всей поверхности губки. В то же время, необходимо контролировать равномерность пузырьков на поверхности образца.

Таким образом, получить губку равномерной пористостью, то должны быть порошки несет с собой строго фиксированный размер и форма зерен, по той причине, что обеспечивает долговечность и надежность катода. Наиболее благоприятным является порошок виде гранул, приближается к шарообразной, а размеры ограничены узким кругом.

Личность порошков. Личность порошков определяет сохранение их технологических характеристик и, в то же время, является одним из основных положений в рамках существующей технологии, воспроизводимость свойств катода.

Следуя выбранной технологией и качество может достигнуть надежности и долговечности катода. В то же время, поддержание техники в значительной степени зависит от технологических свойств порошков, а именно, сжимаемость, текучесть, сита, насыпной плотности, постучал объем, объемная усадка.

Для вольфрама, желательно иметь объемную усадку, что равняется 1-2%, насыпной плотностью 2-5 г/см2, способность порошков, чтобы быть сжаты без технологической связки при давлении от 0,5 до 15,0 т/см2. Далее уже непосредственно поговорим об использовании порошков в металлургии и разделению вольфрамового порошка.

1.12 Используемые вольфрамовые порошки в металлургии

Вольфрамовый порошок металлический

Вольфрамовые порошки получают, как правилом методом водородного восстановления оксидов вольфрама. При этом, сам порошок не должен иметь отдельных конгломератов и посторонних введений. Химический состав трех разных марок вольфрамового порошка, представлен в таблице №3.

Состав порошков вольфрама для основных марок.



Рис. 4

Дисперсионность порошка вольфрама выявлено из-за поглощения паров метанола: 0,02-0,07 мг/г - для производства твердых сплавов 0,04-0,07 мг/г - по производству продукции для различных целей. Насыпная плотность порошка равна 2-5. 5 г/см3.

Параметр токсичности вольфрама порошок относится к 4-му классу опасности. Его пыль может вызвать раздражение кожи, глаз, бронхиальной астмы и дисфункция желудочно-кишечного тракта. В то же время, порошок вольфрама является пожаро-взрывобезопасных веществом и не образует токсичных соединений в сточных водах и окружающей среде. Его применение широко используется для производства специальных продуктов порошковой металлургии и твердых сплавов.

Вольфрамовый порошок специальный

Что касается специального вольфрамового порошка, способ его получения является способ извлечения триоксида вольфрама в потоке водорода. Процентное содержание порошка вольфрама составляет 99,9%, остальное примеси, указанные



Рис. 5

Данные о насыпной плотности и дисперсионности порошков вольфрама.

Рис. 6 Вольфрамовый порошок и его насыпная плотность

Рис. 7Дисперсионность частиц вольфрамового порошка

Порошок вольфрамовый марки ПВТ-У

Порошок вольфрамовый, марочный ПВТ-У получают с помощью высушивания или же восстановления его ангидрида. Его химический состав в таблице №7



Рис. 8Химический состав порошка вольфрамового ПВТ-У

Средний размер частиц порошка составляет 5,5-7,0 мкм, насыпной плотностью 3.5-5.0 г/см3. Значение относительной дисперсии зависит от поглощения паров метанола 0,02-0,045 мг/г. Этот порошок используется для изготовления изделий специального назначения.

Порошок, полученный методом восстановления соединений вольфрама с водородом. Средний размер частиц порошка марки ПВ 1 составляет 0,8-1,7 мкм, и ПВ 2 - 3,8-6,0 мкм. Форма порошка не сферические и равноосной. Примеси не допускаются.

Порошок используется для производства ковки и полуфабрикаты из твердых сплавов. Технические свойства порошков приведены в таблице. 8.

Порошок данного типа производится в трех классах - ПВН, ПВВ, ПВТ. Порошок марки ПВН производится из паравольфрамата аммония WO3 класс; порошок марки ПВВ изготовлен из паравольфрамата аммония высокой чистоты, а порошок марки ПВТ из паравольфрамата аммония WO3. Диаметр частиц порошка (мм): ПВН 3,5-6,0; ПВВ 0,8-1,7; ПВТ 3,5-5,0. Широкое распространение в производстве твердых сплавов и компактного металла.

Технологические свойства восстановленного вольфрамового порошка



Рис. 9

Порошок вольфрамовый марки ВЧДК

Вольфрамовый порошок серийной марки ВЧДК получают с помощью электрического нагрева в водородных печах, что позволяет произвести восстановление трехокиси вольфрама. В печах порошок нагревается до 850 градусов. Данный порошок применяется для изготовления катодов, используемых во многих сферах промышленности, но, благодаря, его стабильности, чаще всего в он используется в электровакуумных приборах.

В состав порошка входит 99,9287% W, а также примеси. Состав приведен

Рис. 10 Химический состав вольфрамового порошка марки ВЧДК



Порошок вольфрамовый марки ВС-4

Данный вольфрамовый порошок получают восстановлением галогенидов вольфрама (WF₆, WCl₅) с помощью водорода. Средний размер получаемых частиц не превышает 4-6 мкм. Форма округлая, близкая к полой груглой форме.

Данные о примесях, содержащихся в порошке, приведены в таблице №10. Содержание вольфрама порядка 99,790%

Рис. 11 Содержание примесей в вольфрамовом порошке марки ВС-4

Ниже, в, приведены основные марки порошка вольфрама, которые используются на производствах, для изготовления различных приборов.



Рис. 12Основные типы вольфрамовых порошков и их марки



2. Методическая часть

2.1 Металлопористые катоды и их основные характеристики

В состав входит соединение алюмината бария-кальция с химической формулой: mBaO•nCaO•Al₂O₃, (например в соотношении 3:2:1; 4:2:2, 5:1:1 и др.

Работа выхода металлопористого катода расчитывается по формуле:

= о + Т.

Например, при Т1000?С работа выхода будет составлять примерно 2,1 эВ

Рабочая температура металлопористого катода может меняться от 900 до 1100?С

Метод отбор тока в термоэлектронной эмиссии доходит до - 2…5А/см². (в непрерывном режиме)

В импульсном же режиме, отбор тока достигает значений до 20 А/см² и более.

Полный ток катода достигает отметки - до 40…60А/см² и выше, причем с учетом вторичной эмиссии.

При повышении температуры катода можно получить плотности тока эмиссии до 100А/см² и выше, но, с повышением температуры катода, повышается и скорость испарения элементов с катода, что может привести к изменению частоты колебаний и в конечном итоге к снижению долговечности приборов.



2.2 Технологии изготовления металлопористых вольфрам-алюминатных катодов

Седиментация (осаждение частиц порошка в жидкости) используется для разделения порошка вольфрама по массе частиц.

Для получения равномерного по крупности частиц порошка вольфрама в смеси. Как способ повышения прессуемости и формуемости порошка применяется отжиг. Отопление осуществляется при температуре 850±50 ° С и времени выдержки не менее двух часов. Порошки отжигают в автоматическом высокотемпературной водородной печи.

Операция набивания штабиков засыпает вольфрамового порошка в корпус через воронку и уплотняют его стеклянной палочкой при заполнении, если это должно произойти, порошок наполнения оболочки при небольшой стрейч в ширину. После перевязки эластичным открытый конец оболочки, необходимо, чтобы распределить порошок, перекатывая снаряд на плоской поверхности. Через некоторое время вам нужно поставить порошок раковины в общей оболочке в количестве не более 12 штук и завяжите открытый конец общей оболочкой резинкой, а потом дать оболочку для работы кнопки.

Нажав штабиков вольфрамовый порошок изготавливается путем формования порошка в эластичной оболочке под действием всестороннего сжатия С целью придания механической прочности.

Суть гидростатического прессования состоит в том, что порошок засыпают в эластичную оболочку и помещают в рабочую камеру аппарата. Крышка прибора герметична и камеры создает необходимое давление. Обработка продукта обеспечивает комплексное и равномерное сжатие порошка жидкости.

Общей оболочке с нажатой стариками помещают под струю горячей воды и выдерживают до полного удаления следов рабочей жидкости с поверхности оболочки после оболочки подсушивают на воздухе в вытяжном шкафу. Раковина со стариками подвергаются визуальному проверить зазоры и трещины, а затем развязать резинку и выньте стержни. При снятии штабиков нужно управлять ими на ощупь, они не должны крошиться. По окончании шатуны передается на агломерационного процесса.

Спекания используется для обеспечения необходимой механической и физико-химических свойств заготовки. Порошка нагревают и выдерживают при определенной температуре.

Штабиков предварительное спекание проводят при температуре 1300±50 ° С и экспозиции раз в 40-60 минут, чтобы дать силу штабику достаточной для последующего высокотемпературного обжига. Окончательное спекание штабиков производится в высокотемпературной печи при температуре 2000±50 ° C и времени выдержки 40-50 минут с целью получения компактного материала с минимальной пористостью.

Качество излучателей контролируется проверки пористости, которая должна быть на уровне ~27%. Определение пористости образцов производится гидростатическим методом.

Механическая обработка заготовок (производство излучатель нужной формы и размера) обычными методами (точение, фрезерование) мешает значительная хрупкость. Чтобы преодолеть этот недостаток возможно путем пропитки заготовок из пластификаторов, которые используются как медь, которая не вступает в реакцию с вольфрамом, а потом и вовсе удален.

Пропитки медью проводят при температуре 1300С в водороде. Для этого на вольфрамовую заготовку плотно обматывают медной фольгой и помещают в молибденовую лодочку, внутренняя поверхность которой предварительно покрыта слоем алунд. После пропитки вольфрам-медь хорошо обрабатывается на токарном станке, что позволяет вырезать из губы нужной формы и размера.

Медь из излучатель удаляется травлением в азотной кислоте, а затем выпаривают в среде водорода и в вакууме.

Качество излучатель также контролируется путем проверки однородности распределения пор на поверхности излучателя (проницаемость).

Суть метода состоит в фиксации величины давления, при котором происходит высвобождение пузырьков газа через поры исследуемого пористого тела, помещенные в жидкость.

Вольфрамовую заготовку погружают в спирт и продувают азотом в течение 1-1. 5 минут. С постепенным увеличением давления от 0 до появление пузырьков контролируется состояние поверхности заготовки через увеличительное стекло. Датчик давления фиксируется давление, при котором первый пузырь на поверхности заготовки, а давление, при котором пузырьки азота по всей поверхности заготовки.

Применение активных веществ на поверхности заготовок осуществляется с целью получения необходимого запаса ее в поры излучатель. Качество пропитанной излучателя определяется визуально: не допускается на поверхности непокрытые участки.

В качестве активного материала, используемого в связи ВаСО3,: 1 Сасо3, Al2O3, которая растирается в ступке до получения тонкого порошка и смешивают со связующим в соотношении объемов. Полученную пасту однако нанести равномерно шпателем, сушка слоя, это необходимо для предотвращения непокрытых участков.

Заключительная операция изготовления катода-сборка держателя излучателя (Керн) и нагреватель.



3. Эксперимент и его результаты

3.1 Исследование порошков

Как правило, используются две марки вольфрамового порошка - ВС-4 и ВЧДК для изготовления вольфрам-алюминатных металлопористых катодов. Далее мы провели исследование этих двух порошков. Различают три основные характеристики порошков, это форма частиц, размер и их гранулометрический состав.

Форма частиц.

С помощью различных методов изготовления порошка можно получить частицы разных форм:

Частицы сферической или каплевидной формы получают в распылении карбонильным способом, осколочной - с помощью измельчения в шаровых мельницах, губчатой - восстановлением, тарельчатой - при вихревом измельчении, и наконец, с помощью электролиза получают дендритную форму частиц.

Проверка и контроль за формами частиц производится на оптическом микроскопе.

Форма частиц оказывает значительное влияние на свойства пропитанных катодов. С помощью применения вольфрамового порошка у которого форма частиц мало отличается между собой и имеет сферическую форму позволяет получить однородную, пористую структуру с определенными параметрами матрицы, а именно - размер пор и плотность их распределения в объеме на поверхности. Благодаря такой структуре, скорость испарения губки будет незначительной, а также высокой однородностью эмиссии на ее рабочей поверхности. В результате у прессованного изделия от формы его частиц зависят такие важные параметры, как его однородность, плотность и прочность.

Размер частиц и гранулометрический состав.

Гранулометрический состав - количественное содержания массы частиц в определенных фракциях по отношению ко всему общему количеству порошка. Некоторые порошки имеют абсолютно разную структуру и представляют собой смесь частиц разного размера от нескольких доле микрометра, до десятых долей миллиметра. Порошки, полученные с помощью электролиза и восстановления имеют самый широкий диапазон размеров.

Примеси

Примесей

Разные добавки по-разному влияют на поведение катода. Например, углерода приводит к увеличению освобождения газа от катода жизни. Известно, что наличие фосфора, хлора, марганца, железа и кислорода оказывает негативное влияние на эмиссионные свойства катода. Другие примеси приводят к изменению температуры спекания. Некоторые примеси (среди них особенно опасны серы) приводят к снижению способности эмиссии катода за счет образования соединений серы бас, но, имея большие работы и не разлагается при рабочих температурах катода.

1) Мелкозернистые марки вольфрама порошок все-4обладает строго регламентируются фракционный состав и средний размер частиц 4-6 мкм и имеет округлую, почти шарообразную форму. Получают этот порошок с восстановлением галогенидов вольфрама (WF6, WCl5) водорода [9].

Важно, что уровень примесей в порошке имеет различные допустимые нормы, они представлены

Рис. 13 Наиболее важные требования к порошкам



Стабильность структуры порошка определяется физико-химическими свойствами - гранулометрического состава, примесей и термической обработки.

В порошках с высоким содержанием тонкодисперсных частиц (<0,8 мкм) эти частицы в процессе спекания штабиков. Наличие крупных образований неправильной формы в вольфрамовой губки обусловливает неравномерное распределение пор в объеме стержня заготовки, значительные колебания размеров и формы пор и вольфрамовых зерен. Это явление является причиной неравномерного распределения загрязняющих веществ и, следовательно, неоднородности эмиссионных свойств готового излучателя.

Чтобы получить качественную металлооптических катодов из вольфрамового порошка в качестве основной фракции (80%) должен содержать частицы с размерами от 1 до 4 мкм.

К гранулометрического состава используемых в производстве вольфрамовых порошков и спеченных губка имеет ряд требований:

- максимальное содержание мелких частиц не должен превышать 40%;

- содержание Размер зерна 1-3 мкм должен быть не менее 40%;

- средний размер зерна в спеченной губки должны быть 2-6 мкм;

- спеченной губки должны быть крупные агломерированные образования и локальных пустот.

В этой связи, использование порошка седиментация - осаждение частиц в жидкости для разделения порошка по весу частиц.

Ниже показаны фотографии порошока VCDC источника.



Рис.14 Изображен исходный порошок марки ВЧДК с увеличением 3000х

Рис. 15 Изображен порошок марки ВЧДК однократно седиментированного с увеличением 3000х



Рис. 16 Изображен порошок марки ВЧДК однократно седиментированного с увеличением 10000х

Рисунок 17 Изображен порошок марки ВЧДК двукратно седиментированного с увеличением в 3000х



Рис.18 Изображен порошок ВЧДК двукратно седиментированного с увеличением в 10000х

Как видно из приведенных выше снимков, после произведения седиментации количество мелких фракций и частиц в порошке марки ВЧДК значительно снижается, что приводит к образованию общего конгломерата частиц.

3.2 Методика и технология прессования заготовок

Методы прессования заготовок проводили двумя способами - метод гидростатического прессования и прессование с помощью заготовок (кокиль). Метод гидростатического прессования состоит в том, что порошок засыпают в эластичную оболочку и помещают в рабочую камеру аппарата. Крышка прибора герметична и в камере создается необходимое давление. Жидкость (смесь глицерина со спиртом в соотношении объемов 1:1) всесторонне и равномерно сжимает порошок, обеспечивая формование изделия.



Рис.19 Рабочая камера и ее схематическое изображение, метод гидростатического прессования, где 1- рабочая камера аппарата, 2 - эластичная оболочка, 3 - сжимаемый порошок.

На рисунке ниже (№8), изображено несколько штабиков, которые изготовленные методом гидростатического прессования. Они имеют размер порядка 15-20 см и диаметром порядка 5-6 см.

Рис. 20 Штабики, полученные методом гидростатического прессования



Ниже, на рисунке изображена эмитирующая поверхность катода, который изготовили из прессованного порошка марки ВЧДК, используя технологию гидростатического прессования. На рисунке показан подробный элементный состав данного катода, полученный на растровом электронном микроскопе.

Рис. 21 фотография поверхности эмиттера, (ВЧДК) с увеличением 1000х

Рис. 22 фотография поверхности эмиттера, (ВЧДК) с увеличением в 5000х



Рисунок 23 Примеси, которые входят в элементный состав катода (порошок марки ВЧДК)

Прессование штабиков порошка вольфрама и второй способ формования порошка в стальных пресс-формах на гидравлическом прессе с целью придания механической прочности и производственный процесс в этой форме, с определенными размерами, плотностью и пористостью.

Прессование осуществляется с применением пластификатора (парафина), чтобы облегчить скольжение и обеспечить склеивание частиц порошка.

Использование смазки снижает коэффициентов внешнего и межчастичного трения, что обеспечивает высокую равномерность распределения давления (силы) нажатия вокруг штабика.

Сжатие осуществляется посредством верхнего пуансона при последующем ходе вниз относительно неподвижной матрицы и нижнего пуансона. В этом случае увеличение общей уплотнения, равномерного распределения плотности по объему прессовки.



Рис.24 Схематическое изображение металлической пресс-формы, где - 1 - подвижный пуансон (верхний), 2 - металлическая матрица, 3 - прессуемый порошок, 4 - неподвижный пуансон (нижний)

Рис. 25 Штабики, полученные методом опрессовывания в металлической пресс-форме



Рис.26 Фотография поверхности эмиттера, (BC-4) с увеличением 1000х

Рис.27 Фотография поверхности эмиттера, (BC-4) с увеличением 5000х



Рис.28 Примеси, которые входят в элементный состав катода (порошок марки BC-4)

По сравнению со второй формовки в случае гидростатического прессования, трение частиц порошка о стенки раковины небольшие. Характерным является различие в движении частиц порошка: при нажатии на матрицу, она возникает вдоль стены прессформы, и гидростатическое прессование порошковых частиц, прилегающих к корпусу, движутся в основном с ней. В свою очередь, плотность стержня заготовки практически однородный. Под действием гидростатического сжатия значение удельного давления прессования, необходимого для получения штабиков такую же плотность, меньше, чем при прессовании в стальных пресс-форм.

К недостаткам гидростатического прессования являются:

- неравномерное распределение пор в радиальном направлении;

- необходимость проведения специальных и трудоемких методов измерения пористости штабиков (гидростатическое взвешивание);

- сложность и значительная трудоемкость операций изготовления вольфрамовых болванок.

Формирование физико-механических свойств катодов при прессовании начинается и заканчивается с последующей термообработки. Плотность спрессованных заготовок определяет структуру катода при последующей термической обработке. Плотность зависит от характера уплотнения частиц пресс-порошка, наличие физического контакта между ними, степень деформации частиц при приложении давления.

3.3 Спекание изделий

Спекание-это тепло и порошок выносливость формируя в среде водорода при температуре ниже точки плавления основного компонента для обеспечения заданных механических и физико-химических свойств.

Спекание штабиков изготавливают методом прессования в прессформе.

Предварительное спекание

Предварительного спекания применяется для удаления пластификатора.

Наиболее распространенная технология предполагает размещение материала в порошок глинозема (Al2O3 порошка) и нагрев в атмосфере водорода до 1000-1100С в печи 5610 ЛМ и время экспозиции 40-60 минут. При температуре ? 200 парафин расплавляется и впитывается в глинозем. Нагрев до 1000С дает пропуски на прочность, достаточную для транспортировки.