innovazii3

Плазменно-стимулированное осаждение пироуглеродных покрытий на сетки мощных генераторных ламп

Авторы: Кузнецов В.Г., Пониматкин В.П., Прокофьев А.В. 
Институт проблем машиноведентя РАН, Санкт-Петербург, ООО «ФАКТОРИЯ ЛС», Санкт-Петербург, ГНУ ЦНИИ Робототехники и технической кибернетики, Санкт–Петербург

Разработана технология нанесения антиэмиссионных пироуглеродных покрытий на сетки мощных генераторных ламп. Методом электронной микроскопии исследованы структуры покрытий. Впервые разработанная технология использована для нанесения покрытий на сетки серийно выпускаемой генераторной лампы. Показано значительное снижение термотока сетки.

Мощные генераторные лампы в настоящее время широко используются в радио-вещании и телевидении, радиосвязи, включая военную связь, в радиолокационных систе-мах как гражданского, так и военного применения (системы ПВО, загоризонтной локации раннего оповещения, ряд систем наведения и управления стрельбой), в ряде видов совре-менных технологических установок, в том числе предназначенных для ускорения заря-женных частиц и исследований в области ядерной физики и термоядерного синтеза.
Уровень выходной мощности ламп, выпускаемых отечественной промышленно-стью, составляет от единиц киловатт до 2,5 мегаватт в непрерывном режиме и до 5 мега-ватт в импульсном. Диапазон анодных напряжений лежит в пределах от единиц до сотен киловольт в зависимости от типа ламп и характера применения.
Основные направления совершенствования мощных ламп – это увеличение удель-ной мощности на единицу объема и увеличение долговечности при высоком уровне на-дежности. Проблема решается поиском новых материалов, конструкций и технологий из-готовления отдельных элементов и ламп в целом. Что касается сеток, то во всем мире принято единственно верное направление - широкое применение различных покрытий, удовлетворяющих специальным требованиям.
К специальным требованиям, предъявляемым к материалам сеток генераторных ламп, относятся [1, 2]: повышенное значение коэффициента излучения, геттерные свойст-ва, низкое давление насыщенного пара при рабочей температуре, способность образовы-вать устойчивые твердые растворы с конденсирующимися продуктами испарения термо-эмиссионного катода и при этом, по возможности, более высокая работа выхода – для придания поверхности электродов антиэмиссионных свойств. Как показал многолетний опыт, для получения требуемой долговечности (десятки тысяч часов и выше) необходимо наносить специальные покрытия толщиной порядка 10 мкм (при высоком качестве покры-тий и при наличии очень высокой адгезии).
Известно, что самый низкий коэффициент вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) имеют бериллий, сажа и пиролитический углерод. Однако сажа и бериллий мало пригод-ны для нанесения в качестве антиэмиссионных покрытий на сетки генераторных ламп: сажа вследствие плохой адгезии и плохих механических свойств, а бериллий из-за того, что на воздухе его поверхность покрыта окисью бериллия, имеющей большой КВЭЭ.
Пиролитический углерод - высокопрочный материал с хорошей теплопроводно-стью, высокой излучательной способностью (ε ≈ 0,8-0,85), низкой вторичной электронной эмиссией (ВЭЭ) - лучший из существующих материалов для изготовления управляющих сеток электронных приборов или для нанесения покрытий на сетки металлической конст-рукции. Отмечается, что пиролитический углерод является превосходным защитным ма-териалом от летящих электронов и термического излучения от катода, причем низкая ВЭЭ углерода сохраняется и при напылении на его поверхность продуктов испарения с оксид-ного катода.
Технология выращивания заготовок сеток мощных генераторных ламп из пирогра-фита газофазным методом не нашла широкого использования в электронном приборо-строении из-за сложности технологии, дорогостоящего оборудования, больших расходов электроэнергии, и как следствие высокой себестоимости изделий. Однако исследования в этом направлении продолжаются [3, 4]. Кроме того, возникают технологические пробле-мы при изготовлении сеток сложной формы и сеток с малым радиусом кривизны. В связи с отмеченными проблемами более перспективным направлением является нанесение по-крытий из пироуглерода методом плазменно–стимулированного разложения, например, углеводородов на металлические сетки.
В данной работе рассматривается возможность получения пироуглеродных покры-тий на металлических сетках мощных генераторных ламп новым методом плазменно-стимулированного осаждения, когда в зону осаждения поступает поток возбужденного и ионизированного низкотемпературной плазмой углеродосодержащего газа. При этом в качестве низкотемпературной плазмы используется плазма вакуумно-дугового разряда, горящего в парах графитового катода. Суть плазменной стимуляции процесса осаждения покрытий из газовой фазы состоит в том, что плазма создает на поверхности подложки условия, эквивалентные очень высокой температуре, а также ускоряет процессы химиче-ского взаимодействия компонентов газовой смеси на поверхности подложки. В силу вы-сокой "энергетики" процесса плазменной стимуляции удается получать соединения из не взаимодействующих в нормальных условиях газовых компонентов.
Разработка технологии осуществлялась применительно ко второй сетке (Рис. 1) се-рийно выпускаемой генераторной лампы ГУ-138Б (рис. 2).

 1
Рис. 1. Вторая сетка генераторной лампы ГУ-138Б

В производственных условиях на сетку наносят гидрид титана катафорезным мето-дом толщиной 10 – 30 мкм. При этом как показали статистические исследования при мощности, выделяющейся на второй сетке на уровне 150 Вт, величина термотока для раз-ных ламп колеблется в довольно широких пределах – от 20 до 70 мА. Среднестатистиче-ская величина термотока находится на уровне 30 мА.

 2
Рис. 2. Генераторная лампа ГУ-138Б

Замена материала покрытия сетки на пироуглерод позволит увеличить мощность генераторных ламп, расширить их частотный диапазон, увеличить долговечность и сни-зить себестоимость изготовления. Пироуглерод по техническим параметрам способен увеличить удельную мощность рассеивания на сетках до 25 Вт/см2 при работе как с ок-сидными, так и с торированными карбидированными катодами.
В данной работе пироуглеродные покрытия получали на модернизированной ваку-умной установке ВУ-1Б. Для генерации плазмы углерода между анодом и катодом (гра-фит) формируется вакуумно-дуговой разряд, горящий в парах эродируемого катода. В этом случае привязка разряда к поверхности катода осуществляется в форме катодных пя-тен. В качестве углеродосодержащего газа использовался ацетилен.
На сетки наносили покрытие толщиной около 30 мкм со скоростью приблизитель-но 3 мкм/мин. На рис. 3 представлена структура сформированного пироуглеродного по-крытия.

 3
Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры скола сформировонного пироуглеродного покрытия.

Начальный процесс формирования покрытия осуществляется через так называемый конус роста, вершина которого расположена на подложке, а ось направлена перпендику-лярно ее поверхности. Постепенно расширяясь, основания конусов заполняют всю по-верхность подложки (рис. 4), и в дальнейшем конусы превращаются в цилиндры - столб-чатый тип структуры (рис. 3).

 4
Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение структуры пироуглеродного покрытия на начальной стадии роста.

Термоэмиссионные свойства пироуглеродных покрытий на сетках исследовали не-посредственно в изготовленных лампах ГУ-138Б с данными сетками. Как показали иссле-дования, величина термотока с сетки с пирографитовым покрытием не превышала 10 мА, что приблизительно в три раза меньше среднестатистических значений термотока сеток с традиционным покрытием гидрида титана, нанесенным катафорезным методом.

SUMMARY
The technology of drawing antiamission pyrolitic carbon coatings on grids of powerful generating lamps is developed. By means of method of electronic microscopy investigates struc-tures of coatings. For the first time the developed technology is used for drawing of coatings on grids of serially let out generating lamp. Considerable decrease in a thermocurrent of a grid is shown.

Литература
1. Кузнецов В.Г. Нанесение покрытий на электроды мощных генераторных ламп из плазмы вакуумно-дугового разряда. // Вакуумная техника и технология. 2008, т. 18, № 2, с. 111-118.
2. Григорьев Н.И., Правдин Б.С., Шестеркин В.И. Электронно–оптические системы с сеточным управлением. //Обзоры по электронной технике. Сер. 1, Электроника СВЧ. – М.: ЦНИИ “Электроника”, 1987. – Вып. 7(1264). 71 с.
3. Конюшкин А.В., Соколова Т.Н., Сурменко Е.Л., Трофимова О.А. Сеточные узлы электровакуумных приборов из пирографита. // Вакуумная техника и технология. 2008, том 18, №1, с. 31–33.
4. Коньков Н.В., Парилова Г.А., Земчихин Е.М., Челюк Л.И. Способ изготовления де-талей из пиролитического графита. Патент РФ, № 2024095. Опубл. 30.11.1994. Заявка № 4917026/21 от 06.03.1991.






 

banner2footer3IRIS Blau iris2

Адрес:

Россия, 195213, Санкт-Петербург,
ул. Латышских Стрелков, дом 25
Телефон/факс: +7 (812) 327-24-02