KR900006166B1 - 디스펜서 음극의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

디스펜서 음극의 제조방법

제1도는 코일형 직접 가열 방식의 마그네트론 음극의 측단면도.

제2도는 송신기 진공관용 그물형 음극의 측면 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 코일 2 : 상측단부

3 : 하측단부 4, 7 : 용접부

5 : 단부판 6, 8 : 지지봉

9 : 알루미늄판 10 : 구리튜우브

11 : 밀봉링 13 : 환상기판

20 : 코일 21 : 금속채널

22 : 원통링 23 : 지지실린더

24, 26 : 실린더 25 : 접시형 부재

27 : 구멍 28, 29, 30 : 밴드

본 발명은 고용융 비금속(base material)으로 구성된 붕소처리된 디스펜서 음극(dispenser cathode)의 제조방법에 관한 것으로서, 비금속의 방출 물질은 금속산화물 형태로 존재하고, 금속 산화물은 음극의 작동시에 계속 감소되어서 표면에 원자형태로 확산되어 단원자막을 형성한다.

이러한 음극은 마그네트론, 송신 튜우브, X-선 튜우브 및 클라이스트론(속도 변조관)등에서 사용되며, 상기 단원자 막은 쌍극자 표면층을 형성하여서, 일함수(work function)의 크기가 순수한 방출물질의 일함수 이하로 작게 되게한다. 실예로 이러한 막을 형성시킨 음극은 토르석 탄화 텅스텐 음극(Th-[W]_c)과 탄화 란탄 몰리브덴 음극(La-[Mo]_c)이다. 희토류금속(란탄족 금속)방출기로써 알카리 토금속으로 구성된 음극을 잘 알려져 있으며, 방출 특성은 탄화에 의하여 개선할 수 있다. 토르석-텅스텐 음극의 탄화는 1600℃ 내지 2000℃의 유기물 증기(H₂-벤젠 혼합물)내에서 행할 수 있다. 이러한 탄화 음극에서의 활성화 처리는 다소 임계적이고 음극의 수명은 연장되며, 음극의 연속 작동중에는 비교적 높은 방출 전류가 있게 된다. 또한 이러한 음극은 이온 충돌에 민감하며 방출 물질의 증발은 비-탄화 음극에서의 증발도보다 작다.

붕소 처리된 디스펜서 음극의 제조방법에 관하여는 1979년 1월에 간행된 Izvestiya Akademii Nauk S.S.S.R, Neorganischeskie Materialy의 15권 제1호 66 내지 67페이지에 기재되어 있다. 탄화중에 탄화물층을 붕소(WB, W B)로 교체하면, 방사선 금속원소인 텅스텐의 방출 특성을 좋게한다. 상기 논문에 기술된 방법에 있어서, 붕소는 그를 포함하고 있는 분말 혼합물 형태로 소결시킴으로서 방사선 금속 원소의 텅스텐 와이어에 제공된다. 또한 탄화붕소 현탁액을 음극에 칠하고 이를 가열하므로서 붕소를 제공하는 것도 가능하다. 분말 혼합물 형태로 또는 현탁액에 의하여 붕화물 처리된 음극의 제조 과정에는 여러번 특정한 처리가 필요하다.

본 발명의 목적은 상기 음극을 탄화하는데 사용되는 장치내에서 붕소 처리된 디스펜서 음극의 제조 방법을 제공하는데 있으며, 이는 a) 수소가 함유된 분위기에서 음극을 어니일링에 의하여 세척하고 b) 붕소가 음극상에 증착될 정도의 온도로, 가스상태의 붕소 화합물을 포함한 가스 분위기에서 음극을 가열하며, c) 음극의 작동온도까지 진동 또는 비-반응 분위기에서 음극을 가열하여 상기 작동온도에서 잠시동안 지속시킨 후에 비금속 물질의 붕소를 형성시키는 단계로 구성된다. 여기서 수소를 함유한 분위기는 예컨대, 순수한 수소만을 포함하거나, 희귀가스, 질소 및 수소들의 혼합가스를 포함한 것이다.

가스의 붕소 화합물은 디보란(diborane)(B₂H₆)이 좋으며, 이러한 화합물은 값이 저렴하여 충분히 이용할 수 있다. 그러나 이밖에도 B₄H₁₀(16℃이상의 온도에 대해서), B₅H₉(53℃이상의 온도에 대해서) 또는 H₂가 혼합된 가스상태의 BF₃, BCl₃, BBr₃중 어느 한 화합물을 사용할 수 있다. 또한 증기형태로 캐리어 가스와 혼합된 고체 또는 액체 붕소 화합물이 사용될 수 있는데, 예컨대 용융점이 99.5℃, 비등점이 213℃인 데카보란(decaborane, B₁₀H₁₄)은 매우 용이하게 증발될 수 있다.

붕소가 탄소보다 비금속 물질(텅스텐, 몰리브덴등)에 대한 결합력이 다소 약하기 때문에, 붕소는 확산에 의하여 방출 물질(산화물)의 감소를 가져오며, 음극의 수명 기간동안 방출 물질의 감소는 음극 표면으로부터 멀리 위치된 부위에서 일어난다.

본 발명은 여러가지의 장점이 있으며, 붕소 처리된 음극의 포화방출이 탄화물 음극의 포화 방출보다 약 1.5배 우세하다는 것이 실험적으로 입증되었다. 탄화물 음극에서 금속 산화물의 반응물은 일산화탄소(CO)이며, 붕소 음극에서는 삼산화붕소(B₂O₃)이다. 일산화 탄소는 191℃에서 1기압의 증기압을 가지며, 삼산화붕소(B₂O₃)는 1860℃에서 1기압의 증기압을 가진다. 탄화물 처리된 음극으로 이루어진 진공관에서 상당양의 가스가 CO의 형태로 음극으로부터 유리되고, 붕소 처리된 음극으로 이루어진 진공관에서 삼산화붕소(B₂O₃)의 증기압은 매우 낮아서 진공관의 부품에 대한 가스 제거만을 고려하면 된다. 마그네트론에서 비교적 양호한 방출이 있게 되면 진공관이 정상적으로 작동할 시에 필라멘트의 전압의 감소를 초래하여 마그네트론의 작동을 더욱 안정하게 한다. 송신관에서 비교적 작은 음극관 그리드 간격으로 인한 비교적 높은 방출량은 이득과 대역폭을 더욱 좋게 한다. 더구나 송신관내에 붕소처리된 음극에 대하여서는 음극 온도를 감소시켜 진공관의 수명이 길어진다.

붕소의 양호한 확산의 결과로, 표면의 탄화에 따라서, 열악한 탄소 확산과 관련된 탄소 결핍으로 인해 더 이상 도달되지 않는 음극 부분에서 방출 물질이 감소된다는 점에서 수명이 길어진다. 이러한 결과로 방출물질은 상당히 양호하게 사용될 수 있다. 붕소 처리는음극의 탄화용으로 이용되는 장치에서 행하는 것도 가능하다. 음극을 예컨대, 탄화 텅스텐 또는 에칭 처리등으로 분사에 의한 붕소 처리전에, 음극을 거칠게 함으로서 이 거친 표면에 의하여 붕소층의 더욱 양호한 접착을 하게 한다.

영국 특허출원 제7655호에는 필라멘트를 붕소로 처리하므로서 램프 필라멘트의 전기저항을 증가시키는 것에 관하여 기재하고 있다. 이는 붕소 또는 탄소층이 형성되지 않도록 매우 높은 온도(whith heat)에서 행해진다. 본 발명에 따른 방법에서는, 붕소 포함 분위기에서 처리시에 비교적 저온에서 행해져서, 붕소층이 형성된다. 상기 영국 특허 명세서에 기술된 방법은 가스내에서 붕소를 밀집시키면서, 텅스텐-토륨 음극상에는 붕소층이 증착될 수 없게 한다. 본 발명은 직접 가열 및 간접으로 가열된 디스펜서 음극을 붕소처리 하는데에 사용될 수 있다.

본 발명에 대한 몇개의 실시예를 첨부도면을 참조하여 이하에서 자세히 설명한다.

[실시예 1]

도선두께가 0.6㎜이고 직경이 5㎜인 8회의 권선부로 구성된 제1도에 도시된 방사선 원소 텅스텐의 직접 가열형 마그네트론 음극 코일(1)은 그 길이가 10㎜이고, 탄화 텅스텐으로 분사된 후에 수소 분위기에서 가열되며, 그 다음 이 코일에 7.5암페어의 전류를 통과시키므로서 600℃의 온도로 디보렌 및 알곤의 가스 혼합물내에서 가열한 후 5분후 디보렌-알곤 혼합물이 제거시킨 후 현재 진공(압력 1.3×10^-3pa)상태에 있는 음극을 통하는 전류를 19암페어로 증가시킨 상태로 5분동안 유지시킨다. 또한 진공 대신에 건조한 수소 포함 분위기(대기압력으로)상태로 유지할 수도 있다. 이러한 처리를 하는 동안 코일(1)의 온도는 1600℃이다. 음극 코일(1)은 내부로 구부러진 상측단부(2)와 접선 방향으로 연장된 하측단부(3)로 이루어져 있다. 이 하측단부(3)는 용접부(4)에 의하여 몰리브덴 단부판(5) 및 지지봉(6)에 연결된다. 상측단부(2)는 용접부(7)에 의하여 중심 지지봉(8)과 단부판(9)에 연결된다. 지지봉(6) 및 (8)은 구리관(10)과 밀봉링(11)에 의하여 알루미늄판(12)내에 장착되며, 알루미늄(12)은 환상기판(13)에 밀봉 연결된다.

[실시예 2]

제2도는 좌측 나선부를 따라 연장된 란탄 몰리브덴의 30개 도선과 우측 나선부를 따라 연장된 몰리브덴의 30개 도선으로 측조된 그물형 음극(20)을 도시한 것으로서, 여기서의 도선은 서로 교차되는 지점에서 용접된다. 음극 도선은 두께가 0.45㎜, 음극의 길이는 257㎜이며 직경은 78.8㎜이다. 음극(20)은 일측단부가 원형의 직사각 금속 채널(21)의 외측링에 연결되고, 타측단부는 원형링(22)에 연결되어 있으며, 상기 원형링은 중공의 금속지지 실린더(23)의 일측단부를 형성한다. 중공의 실린더(23)와 음극(20)내에서 중공의 금속 실린더(24)는 음극(20)의 필라멘트 전류 회로의 일부를 형성되도록 동축상으로 연장되어 있다. 실린더(24)는 접시형 부재(25)를 통하여 비교적 작은 직경으로 이루어진 중공을 실린더(26)내에 삽입된다. 실린더(24)에 형성된 구멍(27)은 그의 뒤에 있는 몇개의 증발되지 않는 계터에 근접하게 한다. 얇은 몰리브덴 밴드(28)는 실린더(24)의 자유단에 연결되며, 실린더벽과 몰리브덴으로 이루어진 밴드(29) 사이에서 고정된다. 이러한 연결 고정에 의하여 밴드(28)는 먼저 축방향으로 연장되면서 반원의 호모양으로 형성되고, 몰리브덴 밴드(30)과 음극 채널(21)의 내측링 사이에서 축방향으로 그 종단을 이루게 된다. 음극은 순수한 수소분위기에서 가열된 후, 700℃에서 B₄H₁₀와 알곤의 혼합물로 인가되며, 5분후에 B₄H₁₀혼합물은 제거시키며, 음극은 5분 동안 400℃까지 가열된다. 이러한 가열상태는 배기동안에 펌프상에 밀봉된 송신관에서 행할 수 있다. 이러한 La-[Mo]_b음극은 붕소의 결핍이 없기 때문에, 탄화 란탄 몰리브덴 음극보다 상당히 긴 수명을 갖게 된다.

[실시예 3]

제2도에 도시된 형태의 음극은, 몇 퍼센트의 세륨 산화물로 이루어진 산화세륨 텅스텐의 도선으로 구성되어 있다. 이 음극은 헬륨, 질소와 수소의 혼합 가스 분위기에서 가열되고, 그 다음 BF₃와 H₂의 혼합물에서 800℃로 가열된다. 5분후에 BF₃와 H₂혼합물은 제거시키고 음극은 대기압의 건조한 수소내에서 5분 동안 약 1400℃까지 가열함으로서, Ce-[W]_B음극이 제조된다.

[실시예 4]

제1도에 도시된 형태의 음극은 몇 퍼센트의 가돌리늄 산화물(gadolinium oxide-Gd₂O₃)을 포함한 가돌리늄 텅스텐 코일로 만들어진다. 이 음극은 순수한 수소분위기에서 가열에 의해 세척한 후, 600℃까지 가열시키고 5분후에 제거되는 BCL₃와 H₂의 혼합물 내에 놓는다. 그 다음 이 음극은 1600℃ 온도에서 5분동안 가열함으로서 Gd-[W]_B음극이 형성된다.

Claims (6)

1. 방출 물질이 금속 산화물 형태로 존재하고, 금속 산화물은 음극의 작동시에 계속 감소되어 표면에 원자형태로 확산되어서 단원자 막을 형성하는, 고온 용융하는 비금속 물질을 포함한 처리된 디스펜서 음극 제조 방법에 있어서, (가) 수소가 포함된 대기중에서 어니일링에 의하여 음극을 세척하는 단계와, (나) 붕소가 음극상에 증착될 정도의 온도로 가스상태의 붕소 화합물을 포함한 가스 대기내에서 음극을 가열하는 단계와, (다) 음극을 진공이나 비반응 분위기에서 상기 음극의 작동 온도까지 가열하여, 상기 작동온도에서 잠시동안 유지시켜서, 비금속 물질의 붕소를 형성하는 것을 특징으로 하는 디스펜서 음극 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 가스 상태의 붕소 화합물은 디보란(B₂H₆)인 것을 특징으로 하는 디스펜서 음극 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 비금속 물질은 (가)단계 전에 거칠게 하는 것을 특징으로 하는 디스펜서 음극 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 금속 산화물은 원소 주기율표 Ⅲ-B의 스칸듐-단 금속중의 어느 한 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 디스펜서 음극의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 금속 산화물은 토륨 산화물이고, 비금속 물질은 텅스텐인 것을 특징으로 하는 디스펜서 음극 제조 방법.
6. 제1항에서 청구된 바와 같은 방법에 의해서 제조된 붕소 처리된 디스펜서 음극.

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