Получение высокоэмиссионного материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Ускорительная техника требует создания более мощных установок, генерирующих потоки заряженных частиц, при этом большое внимание уделяется не только модернизации установок в целом, но и их отдельным элементам. Наиболее важным элементом устройств, генерирующих потоки заряженных частиц, является катод. Использование в качестве материала катода гексаборида лантана позволяет добиться наибольшей эффективности катодного узла. В работе изучается изменение свойств смеси оксида лантана, оксида титана и бора под действием механической активации с целью получения конечного продукта на основе гексаборида лантана, удовлетворяющего свойствам высокоэффективного эмиттера.

Цель работы – изучить влияние механоактивации на параметры исходной шихты для получения высокоэмиссионных материалов методом СВС. Для достижения выбранной цели решались следующие задачи:
- Поиск материалов, удовлетворяющих условиям работы высокоэффективного эмиттера;
- Отработка технологии получения LaB6 методом СВС;
- Исследование влияния механоактивации на параметры исходной шихты;
- Анализ полученных результатов.

В современном мире достаточно остро стоит проблема создания устройств генерирующих потоки электронов, применяемых в ускорителях заряженных частиц, электронных лампах, микроскопах и других приборах принцип работы, которых основан на физическом явлении – электронная эмиссия.

Стабильность работы эмиссионного катода зависит от материала, из которого он изготовлен. Гексаборид лантана LaB₆ – один из тех материалов, которые удовлетворяют требованиям работы высокоэффективного эмиттера.

Существуют разные способы получения гексаборида лантана. Одним из наиболее перспективных методов порошковой металлургии является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС).

В ходе исследования был проведен эксперимент по изучению воздействия механоактивации на морфологические свойства смеси химически чистых (99,9 мас. %) тонкодисперсных порошков оксида лантана, оксида титана и бора смешанных по стехиометрическим коэффициентам для прохождения реакции с получением гексаборида лантана, диборида титана и ангидрида борной кислоты.

Исходные реагенты были тщательно перемешаны в кубическом смесителе штырькового типа KB – 15S с помощью универсального привода ERWEKA AR 403S в течение 30 минут. Порошковая смесь предварительно была высушена в муфельной печи при температуре 100 ℃ в течение 5 часов при атмосферном давлении. Механическая активация проводилась в шаровой планетарной мельнице типа АГО-2С; помол осуществлялся металлическими шарами диаметром 4 мм; соотношение массы шаров к массе обрабатываемой вещества составляло 10/1.

Для реализации синтеза используется специальная экспериментальная установка для получения СВС материалов, состоящая из: корпуса; инициирующей спирали; термопара; теплоизолирующей подставки; универсального контроллера температуры и вакуумного насоса.

В ходе исследования был проведен эксперимент по изучению воздействия механоактивации на морфологические свойства смеси химически чистых (99,9 мас. %) тонкодисперсных порошков оксида лантана, оксида титана и бора смешанных по стехиометрическим коэффициентам для прохождения реакции с получением гексаборида лантана, диборида титана и ангидрида борной кислоты.

Исходные реагенты были тщательно перемешаны в кубическом смесителе штырькового типа KB – 15S с помощью универсального привода ERWEKA AR 403S в течение 30 минут. Порошковая смесь предварительно была высушена в муфельной печи при температуре 100 ℃ в течение 5 часов при атмосферном давлении. Механическая активация проводилась в шаровой планетарной мельнице типа АГО-2С; помол осуществлялся металлическими шарами диаметром 4 мм; соотношение массы шаров к массе обрабатываемой вещества составляло 10/1. В первом эксперименте изучалось влияние частоты механической активации на размер частиц и удельную площадь поверхности, а во втором эксперименте – влияние времени механической активации. Далее активированные образцы были подвергнуты самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу, после чего проведён рентгенофазовый анализ синтезированных образцов.

В ходе исследования выявлено, что в результате проведения механоактивации реагентов наблюдается уменьшение среднего размера частиц, приводящее к увеличению площади контакта частиц, что повышает скорость протекания реакции и улучшает равномерность протекания волны горения, способствуя получению однородных и качественных образцов, на что указывает проведение анализа данных фазового состава полученных образцов.

В ходе экспериментов для системы оксид лантана, оксид титана, бор получены следующие данные:

• зависимость среднего размера частиц от частоты и времени активации в планетарной мельнице;
• определены значения частоты и времени вращения активирующей мельницы, при которых образуются частицы с наименьшим размером 6,3 мкм – 30 Гц и 25 минут соответственно;
• установлен режим механической активации (30 Гц и 25 минут), при котором обеспечивается необходимая глубина превращения и чистота целевого продукта на основе гексаборида лантана полученного методом СВС;
• выяснено, что бесконтрольное увеличение частоты или времени активации может привести к «порогу насыщения», т.о., начиная с определённых значений, механоактивация будет отрицательно сказываться на получении целевого продукта вследствие уменьшения площади контакта частиц, приводящее к снижению энергетического выхода реакции и неравномерности протекания СВ-синтеза;
• установлено, что для каждого состава реагентов значения частоты и времени механической активации необходимо подбирать индивидуально, т.к. они оказывают сильное влияние на получении конечного продукта.

1. Высокоэффективный эмиттер электронов на основе гексаборида лантана / В. С. Кресанов [и др.]. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 152 с.
2. Мержанов, А. Г. Твердопламенное горение / А. Г. Мержанов, А. С Мукасьян. – М.: Тороус пресс, 2007. – 336 с.
3. Гомоюнова, М. В. Эмиссионная электроника / М. В. Гомоюнова, Л. Н. Добрецов. – М.: Наука, 1966. – С. 109 – 114.
4. Механоактивационные процессы как способ управления синтезом боросодержащих материалов на основе гексаборида лантана / Д. С. Исаченко [и др.] // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2013. №4-2. – С. 151-154.
5. Фоменко, В. С. Эмиссионные свойства материалов: Справочник / В. С. Фоменко; отв. ред. И. Я. Дехтяр. – 4-е изд., перераб. и доп. – Киев: «Наукова думка», 1981. – 339 с.
6. Mechanical activation influence on the morphological properties of La2O3-TiO2-B / O. Dolmatov [etc]. // IOP Conference Series: Materials Science

Accelerators require development of new and more powerful installations, generating the streams of the charged particles, affecting the development of machine building industry, energy power industry and other fields of science and technology. Great attention is paid not only to the modernization of the installations, in whole, but also to their individual elements. Cathode is the most important element of the installations, generating the stream of charged particles.
Using lanthanum hexaboride as a cathode material allows getting maximum efficiency of cathode assembly due to the thermodynamic and emission properties of lanthanum hexaboride. This paper studies the properties changes of lanthanum oxide mixture, titanium and boron oxides under the influence of mechanical activation to obtain the final product, based on lanthanum hexaboride and titanium diboride, corresponding to the high performance properties of the emitter. The study resulted in determination of time and frequency of mechanical activation to obtain the particles with the smallest average size of 6.3 microns for the mixture of lanthanum oxide, titanium and boron oxides powders.