Материал: Sb98836

При взаимодействии титана с водородом вначале образуются твердые растворы внедрения (массовая доля Н2 до 33 %), а с повышением температуры количество поглощаемого водорода возрастает и возникает новая кристаллическая структура с более или менее упорядоченным расположением атомов водорода. Аналогично происходит взаимодействие с кислородом: вначале образуются твердые растворы (массовая доля О2 до 30 %), а с повышением температуры концентрация поглощенного кислорода увеличивается, при этом доля металлической связи падает, а ковалентной увеличивается. Последовательные стадии окисления можно выразить следующей схемой:

Ti O2 Ti O Ti6O Ti3O TiO Ti2O3 TiO2 .

Для эффективного выполнения своей роли газопоглощающие покрытия должны быть химически устойчивы, обладать высокой геттерной емкостью при низком газовом содержании и иметь надежное механическое сцепление с подложкой, что в большинстве случаев и определяет возможность их практического использования.

Для нанесения титановых покрытий использовались вакуумно-дуговые источники плазмы коаксиальной конструкции с диаметрами катодов 60 и 100 мм и протяженные катоды длиной 500 мм.

Наличие в продуктах эрозии капельных образований приводит к получению шероховатого покрытия с развитой поверхностью. Данное условие оказывает благоприятное влияние на газопоглотительные свойства титанового покрытия [8], наиболее эффективно поглощающего преобладающие в вакуумных системах остаточные газы активной группы: водород, кислород, азот. С ростом рабочей температуры катода в потоке увеличивается процентное содержание нейтрального пара и капельных образований, что подтверждается зависимостями скорости роста наносимого покрытия от величины отрицательного смещения, задаваемого на подложку, полученными при различных длине и, соответственно, температуре катода.

По мере распыления материала катода наблюдается уменьшение его рабочей температуры. В конце работы, когда длина катода уменьшается, вся мощность, выделяющаяся на катоде, отводится в систему водяного охлаждения. При этих условиях скорость роста наносимого покрытия определяется положительно заряженным компонентом плазменного потока. Наблюдаемое уменьшение толщины наносимого покрытия с увеличением отрицательного напряжения смещения связано уже с эффектом распыления, возникающего за

26

счет бомбардировки обрабатываемой поверхности высокоэнергетическими ионами. Таким образом, количественный состав капельных образований связан с изменением в процессе работы интегральной температуры катода.

Процентное содержание капельной фракции в генерируемом плазменном потоке зависит от температуры плавления материала катода. Так, для тугоплавких металлов, таких как молибден и вольфрам, эти величины находятся на уровне единиц процентов, в то время как для меди эта величина составляет примерно 50 %. Уменьшение количества генерируемых капель ведет к увеличению в плазменном потоке доли ионной составляющей.

Максимальное количество капельных образований испаряется с рабочей поверхности катода под углом 20...30° к его плоскости, и для формируемого потока наблюдается картина радиальной симметрии.

Газопоглощающие свойства титановых покрытий, полученных при температуре катода ниже температуры рекристаллизационного отжига, проявлялись при температуре 770 К. С повышением температуры до 970 К сорбция воздуха возрастала в 10 раз по сравнению с сорбцией при температуре 770 К. Удельная сорбция при этом составляла 2.6 л мкм/см2.

При температуре катода свыше 970 К у полученных покрытий эффект ориентации был выражен слабо и они имели рыхлый, шероховатый характер. В этом случае сорбционные свойства начинали проявляться уже при температуре 570 К, а по достижении 970 К сорбция увеличивалась примерно в 16 раз по сравнению с начальными результатами. Удельная сорбция в этом случае составила 7.4 л мкм / см2, что в 3 раза превысило значение для гладких покрытий.

Металлографические исследования покрытий показали, что для титана при температуре катода ниже 770 К получаемые покрытия имели сложную структуру. Рост отрицательного смещения (по абсолютному значению) на обрабатываемой подложке ведет к созданию покрытия с сильно выраженными компонентами [111], [110] и [012], в то время как при температуре катода свыше 770 К эффект ориентации выражен слабо и покрытие имеет рыхлый шероховатый характер. Уменьшение коэффициента вторичной эмиссии достигается ростом шероховатости покрытия, что объясняется затрудненным выходом вторичного электрона в слое с лабиринтной структурой.

Предельно допустимая мощность рассеивания сеток с титановым покрытием, не превышающим толщины 105 м, определяемая по допустимому

27

уровню термотока 105 А/см2, составила 6…7 Вт/см2, что соответствует тем-

пературе 1200…1300 К.

Покрытие металлоподобными соединениями. Более высокую эффек-

тивность по уровню термотока к тепловой нагрузке имеют металлоподобные покрытия [9] на основе простейших соединений титана и циркония: карбиды – TiC, ZrC; нитриды – ZrN; бориды – ZrB2. Наиболее применяемым является покрытие карбида циркония, обладающее хорошей проводимостью при исключительно высокой температуре плавления (3800 К).

Технология формирования такого антиэмиссионного покрытия первоначально предусматривала использование плазмотронов, представляющих собой электродуговые испарители порошка карбида циркония с наддувом инертного газа или азота. Эта технология так называемого динамического вакуума позволяла формировать на молибденовых и вольфрамовых сетках устойчивый и достаточно тонкий слой покрытия, на который также было возможно качественное нанесение гальваническим методом слоя платины. Применяемая технология расширяла возможности создания существенно более стойких покрытий как в отношении тепловых нагрузок, так и в отношении деградации покрытия в течение срока службы лампы.

В последнее время широкое развитие получили вакуумные ионно-плаз- менные методы нанесения слоев антиэмиссионных покрытий. Это относится как к формированию чисто металлических (титан), так и получению сложных интерметаллических покрытий на основе карбида циркония и платины, образующих слой с гексагональным типом кристаллической решетки Pt3Zr. Слой карбида циркония ZrC обеспечивает плотное прилегание слоя поверхностной платины и препятствует ее диффузии в сторону основы сетки. Основным параметром такого антиэмиссионного покрытия при удельной плотности мощности до 12…14 Вт / см2 и T = 1470…1500 К является плотность тока эмиссии, не превышающая 10 мкА/см2.

Собранные из молибдена и вольфрама сеточные электроды после операций химической очистки и вакуумного высокочастотного отжига устанавливаются в рабочий объем установки ионно-плазменного нанесения покрытий.

3. Аноды электронных приборов

Аноды всех мощных генераторных ламп изготавливаются из меди и всегда являются частью вакуумной оболочки лампы. Одновременно с этим в лампе анод является самым теплонагруженным электродом: передаваемая

28

через него плотность теплового потока составляет до 150 Вт/см2 для ламп с принудительным водяным охлаждением анода, а в некоторых случаях (лампы СВЧ) превышает и это значение. Для эффективной передачи тепла и снижения динатронного эффекта внутренняя поверхность анода либо матируется, либо покрывается чернящими покрытиями, основными из которых являются черный хром и карбид титана (рис. 3.1).

Конструкция, геометрические размеры и материал анода определяются прежде всего из значений мощности, выделяемой на аноде потоком электронов, и мощностью, поглощаемой анодом за счет излучения с катода и других электродов [10]. Медь относится к вакуумным материалам, не содержащим вредных примесей и газов, и имеет высокие значения коэффициентов электро- и теплопроводности, легко подвергается механической обработке и хорошо паяется с другими металлами.

У меди сравнительно низкая температура плавления, высокое давление насыщенных паров и большая скорость испарения (при 1550 К она составляет 10–4 кг/(см2 ∙ с)), что ограничивает допустимую рабочую температуру медных деталей значением 700…800 К.

60

40

20

–4 –2 0 0.5 1.0 h, μмкмm

Рис. 3.1. Анод генераторной лампы с напыленным покрытием карбида титана TiC (а) и структура покрытия (б)

Рабочая температура анода в поверхностном слое может превышать допустимое значение, что приводит к сублимации меди, снижающей электрическую прочность прибора. Данная проблема решается путем уменьшения удельных термических нагрузок, приложенных к единице поверхности электрода, или за счет создания развитой рабочей поверхности анода. Основным недостатком подобного метода является увеличение размеров и массы прибора в целом. Наряду со сравнительно низким коэффициентом излучения (порядка 0.08) медь обладает высоким коэффициентом вторичной эмиссии 1.34 и поэтому недостаточно устойчива к воздействию электронных и ион-

29

ных потоков, что приводит к ее распылению и снижению электрической прочности приборов.

Поиски методов, предотвращающих распыление, привели к разработке целого ряда предложений по защите рабочей поверхности анодов слоем тугоплавкого металла, обладающего низким коэффициентом вторичной эмиссии и высоким коэффициентом излучения и имеющего при этом хорошую адгезию с подложкой [11]. Из методов, нашедших свое применение на практике, следует выделить гальванический способ чернения внутренней поверхности камерных анодов черным хромом и осаждение вольфрама из газовой фазы. Исследования показали, что эти процессы имеют существенные ограничения в части осаждения покрытия в глубокие камеры анода. В первом случае это объясняется малым проникновением электрического поля в камеры, а во втором – экранировкой дна камеры ребрами.

30