（材料学专业论文）新型镧钪钼阴极研究和应用.pdf

摘要 摘要 本课题组对单元镧钼阴极进行了较为系统的研究，以取代传统t h w 阴极， 并制作了发射稳定的工作电压4 5 v 的碳化镧钼阴极6 t 5 1 管。为了拓宽系列稀土 钼阴极的应用，本论文尝试研究一种新型复合镧钪钼阴极材料。 首先探索了镧钪钼阴极材料的制备与加工工艺，采用固液掺杂方式掺杂，经 还原后获得设计成分的m o l a 2 0 3 s c 2 0 3 粉末，低温中频烧结后进行塑性加工获 得实验所需的m o l a 2 0 3 一s c 2 0 3 丝材。加工后获得的丝材经1 9 7 3 k 退火后，韧性 好，满足电子管阴极加工要求。 根据前期制作的工作电压4 5 v 的碳化镧钼阴极6 t 5 1 管阴极特点，本论文在 保证工作温度不变的前提下，设计工作电压为6 3 v 的电子管镧钪钼阴极丝。利 用制备的阴极丝，本实验先后制作了三种不同碳化镧钪铝阴极6 t 5 1 管，通过对 其发射性能测试研究，发现阳极对阴极发射性能有很大影响，所以，本论文优化 碳化镧钪铝阴极6 t 5 1 管的阳极去气工艺。利用优化的工艺规范制作的工作电压 6 3 v 碳化镧钪钼阴极6 t 5 l 管，发射性能良好，其电性能参数和寿命都符合实际 产品要求，并将其试用于实际产品客户，得到初步实用。 为了更加全面了解镧钪钼阴极工作特点，本论文尝试将其应用于t m 9 2 8 管。 通过多次实验，本论文探索了合理的t m 9 2 8 管镧钪钼阴极碳化工艺。对制作的 t m 9 2 8 管进行性能测试，确定了碳化镧钪钼阴极t m 9 2 8 管的工作电压为4 5 v 。 测试结果还表明碳化镧钪钼阴极t m 9 2 8 管的热电子发射性能达到m w 阴极同 类型电子管的技术要求。 采用扫描电镜对碳化镧钪钼阴极进行显微组织结构和成分分析。碳化良好的 镧钪钼阴极碳化层为疏松多孔的m 0 2 c 块状组织，其中有许多垂直于丝轴方向的 晶界与孔洞串，相互贯通直至阴极表面。工作过程中，l a 2 0 3 和l a s e 0 3 在碳化 层中以微米级的颗粒方式富集于晶界、孔洞中。随着发射时间延长，碳化层晶粒 长大变粗，晶界和孔洞串减少，晶粒以长方形为主；且随着发射时间延长，活性 物质在碳化层和基体中含量都减少，但分布比较均匀。 初步探讨了碳化镧钪钼阴极发射行为，分析了其发射良好的原因。碳化镧钪 钼阴极发射过程是：活性物质生成一活性物质沿晶界扩散到表面一活性物质表面 扩散形成一定的覆盖度一活性物质蒸发。碳化镧钪钼阴极发射电流密度大，逸出 功小，发射性能优异。其可能原因是：l a 与s c 固溶，产生的l a - s e 覆盖在阴极 北京工业大学工学硕士学位论文 表面，使基底m o 逸出功下降，促使更多电子发射出来；一定量的l a s c 0 3 小颗 粒同l a 2 0 3 常共存在于铝晶粒中，或者是团聚于晶界，这种结构使l a 2 0 3 周围缺 陷富集，有利于l a 2 0 3 的扩散，进而使稀土的蒸发与扩散达到更长时间的平衡。 关键词镧钪钼阴极：电子管：碳化；去气老炼；热电子发射 - u - a b s t r a c t t h em o - l a 2 0 3c a t h o d eh a sb e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt os u b s t i t u t ef o ro r d i n a r y t h - wc a t h o d e 、m t l lt h ep r o b l e m so fr a d i o a c t i v ep o l l u t i o na n de l e v a t e dt e m p e r a t u r ei n o p e r a t i o n t h ep r e c u r s o rr e s u l t ss h o wt h e6 t 5 1 - t y p ee l e c t r o n i ct u b ee q u i p p e dw i t h l a - m oc a t h o d es u f f e r sf r o mg o o de m i s s i o ns t a b i l i t yw h e nc o n d i t i o n e db yw o r k v o l t a g eo f 4 5 v t h i s p a p e ra i m s t od e v e l o pan e w t y p ec a t h o d ei no r d e rt om a k ea s e r i e so f r a r e e a r t hm o l y b d e n u mc a t h o d ea p p l i e di nt u b e s t h ep r e p a r a t i o n so fl a s c - m oc a t h o d em a t e r i a la r es t u d i e da tf i r s t t h em o p o w d e rd o p e d 、航t hl a 2 0 3a n ds c 2 0 3w a sp r e s s e di n as t e e ld i ea n ds i n t e r e d b y m i d d l e f r e q u e n c ys i n t e r i n gt e c h n o l o g y t h es i n t e r e db a r sw e r es w a g e da n d d r a w nt o w i r e sw h o s ed i a m e t e r sm e e tt h er e q u i r e m e n t so fc a t h o d ew i r e sf o re l e c t r o n i ct u b e s t h ed r a w nw i r e so c c u rf r o me x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a c c o r d i n g t ot h es i z ea n ds h a p eo f l a - m oc a t h o d ei nt h e6 t 5 1t u b ec o n d i t i o n e d b yw o r kv o l t a g eo f 4 5v ，t h ec a t h o d ew i r e sf o rt u b e sc o n d i t i o n e db yw o r kv o l t a g eo f 6 3vi sd e s i g n e d i nt h i sp a p e r , t h r e ek i n d so f6 t 5 1t u b e sa r ep r e p a r e d t h et e s t sf o r t h e s et u b e ss h o wt h a tt h ec a t h o d e sa r ea f f e c t e dw i t ht h ea n o d e s o ，t h ee x h a u s t i n g t e c h n o l o g y o ft h et u b e si s a d j u s t e d t h e6 t 5 1t u b e sp r e p a r e dw i l ht h eo p t i m a l t e c h n o l o g yc o n d i t i o n e db y w o r k v o l t a g eo f 6 3 vs u f f e rf r o mg o o de m i s s i o n p r o p e r t i e s a n da r em a d eat r y o u ti nt h ei n d u s t r y t h i sp a p e rm a k e sa ne f f o r tt oa p p l yt h el a s e - m oc a t h o d ei n t ot m 9 2 8t u b ef o r u n d e r s t a n d i n gm o r ea b o u tt h en e wc a t h o d e t h r o u g hd o i n gm a n ye x p e r i m e n t s ，t h e c a r b o n i z i n gp r o c e s so f t m 9 2 8 e q u i p p e d w i t l lt h el a - s c - m oc a t h o d ei so b t a i n e d t h e w o r kv o l t a g eo ft h et u b ei sc o n s i d e r e da s4 5 va f t e rt e s t i n gt h et u b e s t h et e s tr e s u l t s a l s os h o wt h a tt h ep r o p e r t i e so ft m 9 2 8t u b ee q u i p p e dw i t l lt h el a - s e - m oc a t h o d e r e a c h e dt h er e q u i r e m e n t so f t h es t a n d a r dt m 9 2 8t u b e i nt h i sp a p e r , t h em i c r o s t r u c t u r e sa n dc o m p o n e n t so ft h ec a r b o n i z e dl a - s c m o c a t h o d ea r ea n a l y z e dt h r o u g hs e mw i t he d x a t h ec a r b o n i z e dl a y e ro f t h ec a t h o d e w e l lc a r b o n i z e di s c o m p o s e dc o a r s em 0 2 cp a r t i c l e sw i t hl o t s o fg r a i nb o u n d a r y c r e v i c e sa n dm i n i h o l e sa r r a n g i n gp e r p e n d i c u l a rt ot h ew i r ea x l ea n du pt os u r f a c e i - 托崇王托大学工学硬士学位论文 t 歉em i c r o m e t e rl a 2 0 3a n ds c 2 0 3 p a r t i c l e se x i s t e da tt h eg r a i nb o u n d a r y c r e v i c e sa n d m i n i - h o l e si nt h ec a r b o n i z e dl a y e r w i t ht h ep r o l o n g a t i o no ft h ee m i s s i o nt i m e ，t h e g r a i no f t h e c a t h o d es u r f a c eb e c o m e s b i g ，a n dt h eb o u n d a r ya n d t h ec r e v i c e sd e c r e a s e i ti sa l s of o u n d e dt h a tt h ea c t i v em a t t e r sd e c r e a s em o r ei nt h ec a r b o n i z e d l a y e r , w h i l e k e e p i n g s t e a d i n e s si nt h ec o r em o l y b d e n u mo f t h ew i r e a c c o r d i n g | ot h ei n v e s t i g a t i o no fm i c r o s t r u c t u r ea n dt h ee x p e r i m e n t so ft u b e s ， t h ee m i s s i o n b e h a v i o ro f t h el a - s c m oc a t h o d ei sd i s c u s s e d n l ca c t i v em a t t e r sf i r s t l y a r ep r o d u c e di nt h ec a r b o n i z e dl a y e r , t h e nd i f f u s ea l o n gt h eb o u n d a r yt ot h es u r f a c e ， a n df o r mt h et h i n - f i l ma tt h es u r f a c e a tt h es a r n et i m e ，t h ea c t i v em a t t e r se v a p o r a t e f r o mt h es u r f a c e 。 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h el a - s c m oc a t h o d es t i f l e r sf r o mg o o d e l e c t r o ne m i s s i o np r o p e r t i e s t h er e a s o n sm a yb ea st h ef o l l o w i n gt w os i d e s 髓l e l a s ca t o m sp r o d u c e db yt h es o l u t i o no f s ci n t ol ao v e r l a yo ht h es u r f a c e ，w h i c h r e d u c e st h ew o r kf u n e t i o no fm o ，t h ed e c r e a s e so ft h ew o r kf u n c t i o nm a k em o r e e l e c t r o n se m i t t i n gf r o mm o 。o nt h eo t h e rh a n d , 弱掩l a s t 0 3 p a r t i c l e sl i ei nt h em o g r a i n st o g e t h e rw i t hl a 2 0 3 o ra s s e m b l ea tt h eb o u n d a r y t h es t r u c t u r el i k e a b o v e m a k e sm o r ed e f e c t sc o n g r e g a t ea r o u n dl a 2 0 3p a r t i c l e s ，w h i c hi sb e n e f i c i a l 协t h e d i f f u s i o no fl a 2 0 3 i tw i l lk e 印m o r el o n gb a l a n c eb e t w e e nt h ee v a p o r a t i o na n d d i f f u s i o no f t h ea c t i v em a t t e r s k e yw o r d sm o l a 2 0 3 - 5 c 2 0 3 c a t h o d e m a t e r i a l ；e l e c t r o n i ct u b e ；c a r b o n i z a t i o n ； e x h a u s t i n gp r o c e s s ；t h e r m o i n i ce m i s s i o n 一1 v - 独创性声明 本入考鞲掰璧交靛论文是我个久在譬拜摇鼍下连露酌研究王作及取褥的磺 究成果。尽我所知，除了义中特别加以标淀和致谢的地方外，论文中不包食基他 入器经发表或撰写过静研究成莱，氇不毽禽为获褥托索工妊大学或其它教肖梳鞫 的学位或诋书而使用过的材料。与我一同作的同忠对本研究所做的任何娠献已 在论文中佟了骥确豹说翳并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人宠全了瓣京王妲大学关于有关绦餐、使雳学像论交黪藏定，聱：学搜 脊权保留邀交论义的复印件，允许论文被雀阅和借阅；学校可以公布论文的全部 袋部分内容，霹戮采霜影蠲年、绥露或葜宅复霉警鬏爨彩论交e ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电子管阴极 在现代科学技术中，晶体管和集成电路在许多方面都取代了电子管，但由于 电子管具有高频大功率、耐环境温度高、脉冲性能好、噪声小、耐压高等特点， 电子管仍广泛用于无线电通讯、广播、电视、工业加热、雷达、粒子加速器等各 个领域，至今还看不到有完全被晶体管和集成电路代替的可能。美国已多次将真 空电子微波器件列为国家安全核心技术l ”。欧盟、日本等也相继将电真空微波器 件列为“关键技术”加以研究1 2 。 阴极是电子管的心脏，其最基本的作用是发射足够量电子，以保证管内电流流 通，它直接影响电子管的特性和使用寿命。目前，在电子管中应用的热阴极主要有 以下四大类：纯钨阴极、碳化钍钨阴极、氧化物阴极和其它类型热阴极。 1 1 1 纯钨阴极 纯金属热电子阴极是研究和应用最早的阴极【3 1 。尽管现代又发展了许多种热 阴极，但由于它的独特优点，如发射稳定、能耐高压离子轰击、暴露大气后不需 要激活等，因此目前在大功率可拆卸振荡管、静电计管以及大型电子束仪器设备 中仍在应用。随着量子力学理论的发展，对于纯金属热电子发射的认识更加深刻。 因此讨论纯金属热电子发射对实际应用仍很重要。 纯金属导体在高温下，电子获得足够的能量离开金属表面的现象称为纯金属 热电子发射。 应用试验二极管，当改变灯丝电压或阳极电压时，将会发现阳极电流有以下 变化： 改变灯丝电压( 灯丝工作温度) 时，发现阳极电流随温度的变化而变化：改 变阳极电压，同样可以发现发射电流随阳极电压的改变而变化，最后趋于一饱和 值，这一数值为该温度下的阴极最大发射电流。 发射电流随温度的变化非常明显。当温度从2 4 0 0 k 增加到2 5 0 0 k 时，温度 仅增加约4 ，而发射电流却增加了约1 5 0 。纯金属阴极发射电流密度的数学 表达式为1 4 ： 北京工照大学1 - 掌磺士学位论文 扣4 n e 九m ，k 2t 2 e x p ( 一静= a o t 2 e 醑鲁) 涵1 ) 式孛奄一玻骂兹爨鬻数，l 。3 8 1 0 描j k j i r 普朗克常数，6 6 2 6 1 0 州j - s g 一龟子电荷，1 6 0 2 1 0 9 c 珥一电子静止质量，9 1 0 9 1 0 - 3 1 k g a 0 一发射常数的理论值，1 2 0 4 a e m - 2 k 。 由式( 1 - 1 ) 可知，獭阴极所用金属材料的逸出功愈小，工作温度愈高，发 射电流密度，愈大。因此，理想的纯金属发射体戍满足以下要求1 5 q ： 越辩抟逸出功低 发射电流密度大 燔熹麓 在工作温度下蒸发率小 高潺稀变，l 、，强渡离 具有邋当力学性能，易加工 化学稳定佳好，抗离子轰击及抗中毒性好 使用寿会长 原料率富，容弱获得，价格合理 钨是这耱嚣极最理怒戆金属，溜她奄子警中鬻鬻采用钨割终熬缝钨弱极。 纯钨阴极的工作温度选在t k = 2 4 0 0 2 5 0 0 k 之间，熊发射电流密度3 = - 0 3 g 7 a e r a 2 ，发辩效率蕊= s 1 3 彭w 。丈翡率发瓣警f u - 4 3 1 s 、f u - 4 3 3 s 、f u - 8 9 f 就使用这种阴极。而大多数现代大功率发射管已不再使用这种阴极了。 1 1 2 碳化钍钨阴极 疆镑鹅援是程钨基众藩表嚣暇瓣逶爨装钍爨子，叛鬃老嚣发毒重瞧滚密度瓣薄袋 阴极【 。 在钨缝孛熬入约8 。5 至l 。5 - - 氧化钍( t h 0 2 ) ，予真空巾翔热列2 6 0 0 2 8 0 0 k ，维持o 5 2 m i n ，使部分二氧化钍分解出金属钱，这一过程叫“闪练” 礴晓+ 矽等w 0 2 孙( 1 - 2 ) 然后使濑度降到2 0 0 0 2 3 0 0 k ，维持1 0 6 0 m i n ，钍原予通过钨原子晶格扩散剥 钨丝表面形成单层锰原予。在1 9 0 0 k 溢魔下可戳得封魄纯钨黼辍大的发射电流。 第1 章绪论 ( 1 ) 敷钍薄膜的形成在钍钨阴极激活过程中，钨表面逐步形成一层钍膜。 开始钍只在某几个地方通过钨晶格间隙从内向表面扩散，形成许多钍膜“小岛”， 然后钍原子沿着钨表面迁移到未覆盖的地方，逐步在钨表面形成一层钍薄膜。显 然，钍钨阴极工作时的表面不同于纯钨阴极表面1 8 。 阴极获得良好发射时表面应呈一层钍单原子层，这时阴极的逸出功最低。实 验证明钍钨阴极表面的钍原子是以单原子层覆盖在钨的表面。其理由是：因为钍 钨丝的工作温度已经接近钍的熔点，若不是靠钍与钨原子间的吸引力，钍原子必 然要蒸发掉，因此在钍原子外层再吸附钍原子的可能性极小，不会发生堆积【9 】。 ( 2 ) 单原子偶极子理论郎缪尔提出了单原子偶极子理论以解释敷钍阴极 会比纯阴极有高得多的电子发射。该理论认为【l0 1 ：在钨表面，钍原子均匀地覆盖 在上面形成偶电层，这一偶电层将产生一个附加电场，其方向指向钨表面，对底 金属内部的电子产生额外的向外静电力，即钨表面的钍原子，在外电场作用下， 正负电荷重心会发生变化，从而发生电极化现象。由于钍原子较钨易失去电子而 显正电性，因而所产生的偶极子正端朝外，使钨表面形成了一层正极向外的偶电 层，从而大大降低了基体钨的逸出功。这样，钨的逸出功则从4 2 5 电子伏特( e v ) 将到2 6 7 电子伏特( e v ) 。由式( 1 1 ) 可知，逸出功减小会提高发射电流。 ( 3 ) 钍原子蒸发与扩散的平衡敷钍钨阴极在激活过程中，必须严格选择合 适的温度和激活时间。温度低了激活不良，高了仍然激活不良。因为钍从钨内部 向表面扩散需要克服一定阻力，消耗一定的能量。显然只有那些动能大于这一能 量的原子才能扩散到表面。与此同时，钨表面的钍原子在工作温度下，也将不断 蒸发。 对于钍钨表面的覆盖度来说，扩散过程是一补充过程，蒸发过程是一消耗过 程，在某一温度下，若保持覆盖度不变，就意味着蒸发与扩散达到了动态平衡。 阴极在正常工作温度下，必须保持这一平衡，否则，阴极发射电子的能力下降， 寿命终了。 ( 4 ) 钍钨阴极碳化敷钍钨阴极的缺点是发射不够稳定，钍与钨的结合力不 大，蒸发能较小，所以钍的蒸发率较高。为了提高钍原子在钨丝表面的吸附力， 钍钨丝必须在碳氢化合物中进行碳化处理( 1 1 】，使表面形成一层碳化物( w 2 c ) ， 在真空中加热到2 2 0 0 k 时，被迅速激活，分散到w 2 c 中的二氧化钍就被还原成 自由的钍原子，即： j 衷z 鼗大学王学蕊士学位论文 i i , ii i 愚麓舅皇量s s 2 壤c + t h o z 矽+ 2 e 0 拿臻( 1 - 3 ) c o 气体被真空聚排除管外。钍原子扩散鬻q 钨表瓤形成一单原子磁。 碳裁钨霆饕鬻麓静弦余蘩，褪宅与锻绪台熬黥力远魄镑与镀鳇结合能力强。 所以，与落通的敷钍钨阴极相比，若在相同蒸发攀下工作，可以提高工作温度， 腻丽提高发射效率；或嚣在程丽温度下王侔，爵黻大大蹲低蒸发两延长淹命。 + ，3 氧佬熟鞘极 电子管阴极的另一大类是氧化物阴极，即由碱土金属的氧化物制成的阴极，是 w e h n e l t a 等夫鑫1 9 0 3 率茨现戆鞴。密楚捂虢金震( 锻、锈、锈氧毒 ：裙爱藏发瓣 体的箍称。氧化物阴极魁在基金属f n i 或w ) 上涂敷一层碱土金属的碳酸矗l ：( b a c 0 3 、 s r c 0 3 、c a c o s 簿) ，再装入电子篱经过分解、澈灞后蕊成麓受菇靛瓣体； 羲钝戆臻投豹逸出秘谯、工佟瀑囊糕、发射效率蹇，歉肄发射瞧浚密发太珂以 方便地做成各种形状的阴极，目前在电真空器件中应用最广。但富允许支取的直流 瞧流蜜凌枣，强嗽场或大憩滚下，荔发生二j ( 惹理象，涂瑟辊攘强菠羡，撬孛毒性戆霸耐 离子轰谢性能麓为了克服上述缺点，人们研制了许多氧化物阴极的改进烈，如镍网 溺辍、寨心疆掇、臻耪援鬻蕊穰黻爱耪敷镶繇蔽p c 瓣极) 1 3 - t 5 1 ，遥蕊备耱方法 挝高阴极表面的铎电性釉导热性釉弱极波颈b a 迸素的遗速补充能力，来实现这炭 丽极高热电子发射电流的支取黥力。 t 。 ，4 其宅类型臻投 1 1 4 1 硼化物阴极巢些碱土金属硼化物和稀土金属硼化物愚凫好的电子发射 镩，宅不仅吴膏盒属静导邀经，鼓其有嵩懿藩点( 2 1 0 0 2 6 0 0 c ) 、赛妊熬健学稳宠 性、抗中毒能力强等优点。在蒜类硼化物中，以六硼化镧的热电予发射性能最盘予。 高亮度的l a b 6 革晶电予源己成功绣应弼于近代大型表藤分析仪器中f 添糯。 。 。4 。2 碳亿物龋毅碳纯物翁熔焘裹、蒸发夺、识学稳定性好，可接必在恶劣磷 境中使用的热电子发射体。过渡族金属碳化物最高亮度电子源的最有前途的材料。 擎鑫t i c 其煮饕鬻稳定翳囊袋嚣。鞣一骏诧钨掰援是六十年茂爨臻懿一种蕊孛霉 阴极，它具有优腿的抗毓和油蒸汽中毒的能力。阴极基体中含碳时发射比不含碳时 翁大，说秘琵方串酶碳对发_ 囊| 煮荮静雾嫡辖强驺。 1 i 。4 3 稀靛化物阴极普邋的氧化物阴极的直流电子发射密度总是停留矬 o 5 8 a e r a 2 瓣承平上。在瞽通氧佑物稿极电予发射涂层孛蕊入稀主鑫属氧化耪 第1 霉绻论 i i i 或稀土金属可明显的提高阴极发射性能并延长寿命周期。涂层中加入稀土氧化物 艨要比普通氯化物阴极发射电流稳定性好得多1 2 2 。2 4 】。 1 1 ，4 4 精锯式鞠裰氧纯秘骚投涂屡簇橙，苓髓连续支彀大电流鬻发，氇无法焱 强电场下工作。于是人们谯发展氧化物脯极的同时，研制出了能够焱取大电流密魔 的储备式阴极，如”l l 阴极、钡钨阴极、锪钨阴极等 2 s - 2 s 。发射物质通常是铝酸赫 竣钨酸盐。铰钨阴摄是嚣虢应用最广泛懿镱各式麓授。宅懿壹滚笈瓣电濂密度霹 达1 0 a c m 2 , 并且具有耐离子轰击、抗中簿性能强、出气少、寿命长等优点。但钡 钨阴极由于锻的蒸发速度偏犬，难于适应高温工作的大功率电子管的要求 2 9 - 3 1 】。 1 。2 稀主铜热阴极材料 稀土钼悬近三十年来系统研究的结构一功能新材料。作为结构材料，曰本、 中国、德国、煲建剩等国磺究较多 3 2 - 3 6 1 。在添翅撩支元素鼹铝力学性能改善熬麓 时，人们还发现高稀土含激的稀土镭材料具有良好的热电子发射。陡能，有可能取 代传统的w t h 0 2 阴极材料，彻底解决电子管阴极的放射性污染问题。 t 9 7 7 每，瑞士b b c 公司首次公嚣缀遥了她稍磷翻豹涂敷责袅壤p t 、r 嚣豹 m o - - l a 2 0 3 酾极【3 ”筇。这种阴极经热激活履，得劐阴极的发射傲能与w t h 0 2 相比，在同样发射电流时，工作温度可降低约2 5 0 。它在2 0 5 0 k 时得到最大稳 定发鼓电滚豢发8 a j e m 2 ，发射效率为2 1 0 m a w ，毙w - t h 0 2 亳2 7 经。峦予裁镰 该种阴极的工艺复杂，在工业上很难获得应用。 但是这种m o l m 0 3 阴极的出现，在阴极界引怒轰动，许多国家开展了m o 一毛a 2 岛残投秘褥熬研究王搏。1 9 8 0 牮，美晷热剽镶慰亚大学麴d m ，g o e b e l 教 授对m o - - l a 2 0 3 空心阴极代替l a b 6 产生大电流等离子体进行了研究 4 0 - 4 n 。德圈 f r a n k b 等人用c v d 方法将l a 2 0 3 蒸镀的m o 和其他高熔点金属组成阴极【4 2 1 。印 凌营露丈学熬r a o 。g s 等入藩m o - - l a 2 0 3 臻稷翻磺鲠：m o - - l a 2 0 3 毅毅系统串如 原子的吸附、扩散、脱附进行了研究f 4 3 删，他们研究结果表明碳化能使l a 柱 m o 晶界扩敞系数增大，从表面脱附的活化能降低。 上蓬缌，年我孛颓，憩素毒色衾满疆究葱浣与东方电子警厂仑终t 4 s l ，潮餐 2 4 l a 2 0 3 的m o - - l a 2 0 3 丝材，弗游行了装管实验。但发射稳定性很差，潜命 仪几十小时。而且丝材脆性较大。北大的张兆祥等人对m o - - l a 2 0 3 阴极表磷特 洼送行了臻炎，分裂获德了穰证襄寒酸毒乏m o - - l a 2 0 3 弱投邀警凌疆湛疫载交纯 托家工蛙丈学工学硕士学位论文 j i - 曼鼍曼曼掌燃皇曼皇曼邕昔穗皇j 曼曼矗蠢嫩鲁墨曼墨e 墨 悸嚣。丧t 4 0 0 k 辩，碳纯m o - - l a 2 0 3 翳投迄密凌最枣蚓。丸+ 冬戎拐，蠲美玲 等人在前期稀土铺强韧化研究基础上，对稀土钼材料电予发射性能和发射机理方 稀进行了系统深入和醑3 毫1 4 7 - 4 9 1 。德们研究结果表明，碳纯m o - - l a 2 0 3 萌极在1 4 5 0 1 5 0 0 c 温度范围内，m o - - l a 2 0 3 阴极发射电流密度达到w t h 0 2 阴极水平。 并通过高温x p s ，a f m 等实验研究了m o - - l a 2 0 3 阴极工作过程中l a 的行为，提 感了“纳寒微粒子( 薄膜) ”电子发射模型。 1 3 本论文的研究豳的和主要研究内容 1 3 1 研究目的与意义 星蓠在大中功率电予警中热阴极材料仍然是使用己蠢百年历史的具窍放射性 淄染的耽。w 材料。本课题组在圜家攀登计划、豳家8 6 3 、9 7 3 计划和部羹基金项 瓣支持下，慰替代巍热式协w 弱援戆凝墼臻主键捷糕，深入进谨了捉理灏糖糕设 计、制备工艺的研究。在l 扣m o 材料制备、阴极制作、装管工艺、发射机里研 究方瑟取得系列遴震。爻了拓宽篆嚣稳铝掰极鹣应用，零论文尝试磅究一种薪鬟 笈合稀土镅阴极树料。 本研究的蟊辩就是甏通过新渣镧铳钢阴极的研究，优伍镧铳铝阴极枣| 翠季锖l 备 工艺和阴极制作处理工愁，使复台镧钪镪弱极在电子管获褥疲用，即具体研究镧 锯阴极6 t 5 1 管和t m 9 2 8 管的制各与处壤工艺制度。通过对碳化镧钪锢阴极在献 上电子警串发射行为豹掇讨，必镁镜镊翳摄在墩子骛中蚋实嚣瘦月终出蠢蕊豹掇 綮。 复会镧魏镶鬻穰在魄子警串魏实嚣凌弱将大大改逡篷子警熬毪靛，势缨赢嚣 决t h w 材料的放射性污染，有可能带来电子管性能的飞跃性提高。 1 3 2 主要研究内容 1 。3 ，2 ， 镧镳锯糖料铡爨及性鼗鞭究剃备滚足邂子管瓣援援掺和热王性毙熬骥 檄材料怒本论文研究的基础。本论文首先设计了复合镧钪钼材料的成分，摸索商 会量复会镧锭镶溺投丝豹隶l 各工艺，磷究茭显微缝缓特经窝錾瞧鸯羹王缎能。 1 3 2 2 碳化镧钪钼阴极6 3 5 1 管研究根据前期的研究成果，优化碳化镧钪钼阴 梭6 t 5 1 管碳纯羔艺、阴极处理王艺、稚气老练工艺，制作密王作电匿海6 3 v 酌 碳化镧铳钼阴极6 t 5 1 镣，测试其发射性能，势在实际工业中游行初步应用。 第1 章绪论 1 3 2 3t m 9 2 8 管用碳化镧钪钼阴极研究由于是在新的电子管管型中应用，首先 重新摸索了t m 9 2 8 管镧钪钼阴极丝碳化工艺，然后制作实验管，通过测试其发 射性能，以确定碳化镧钪钼阴极丝在t m 9 2 8 管中的工作电压，为碳化镧钪钼阴 极在t m 9 2 8 管进一步的应用做出有益探索。 1 3 2 4 碳化镧钪钼阴极热电子发射行为研究通过测试镧钪钼阴极在上述两种 类型电子管中的发射性能，结合阴极成分和显微组织两方面研究复合镧钪钼阴极 的发射行为，为镧钪钼阴极在电子管真正的应用提供指导。 第2 章镧钪钼阴极材料制备及性能研究 前期研究用于热电子发射的稀土钼阴极材料主要是单元镧钼材料，本文设计 了一种新型复合复合镧钪钼阴极材料，以拓宽稀土钼阴极材料系列。 由于是首次进行复合镧钪钼丝的制各及加工，尤其是为了应用在t m 9 2 8 管 中，要制备出丝径仅为o 2 6 2 m m 的高含量复合稀土阴极丝，这是第一次尝试。 因此，本实验材料制备参照纯钼和单元镧钼材料的制备及加工工艺，加以调整， 但多数工艺参数不同于纯钼和单元镧钼阴极材料，特别是后续的塑性；b n - r 阶段的 工艺，为了解决高含量复合稀土钼丝加工易脆的问题，本课题组在工厂经过反复 调整，方获得较佳的工艺规范，对以后批量生产复合镧钪钼丝具有指导意义。 2 1 成分设计 根据课题组前期研究稀土钼阴极实验情况，我们设计了一种新型复合镧钪钼 阴极材料。这种材料的成分含量以及应用都是首次。试样成分见表2 - 1 。 表2 - 1 复合镧钪钼阴极材料成分 成分l a 2 0 3 ( w t )s c 2 0 3 ( 删m o ( 州) 含量 3 01 0余量 2 2 复合镧钪钼丝的制备 2 2 1 材料制备工艺流程 本试验材料主要采用掺杂、粉末冶金法及塑性压力加工方法制备，制作流程 如图2 - 1 所示。 2 2 2 掺杂 采用液固掺杂方式，分别将所设计含量的l a ( n 0 3 ) 3 、s c ( n 0 3 ) 3 制成溶液，然 后将配制的溶液与酒精混合，分别倒入盛有一定量的三氧化钼粉末的烧杯中，之 后将烧杯放入温水中水浴加热烘干，加热过程中要充分搅拌均匀。 2 2 3 还原 还原前，粉末先过4 0 目的标准筛。然后，在氢气中分两次还原，将掺杂氧 化钼粉还原成金属钼粉，同时分别将l a ( n 0 3 ) 3 、s o ( n 0 3 ) 3 分解为l a 2 0 3 、s c 2 0 3 。 一次还原温度为5 9 0 。c ，二次还原温度为9 7 0 。c 。还原时间为l o 小时。 第2 章镧钪钼阴极材料制备及性能研究 掺杂 i 还原 l 冷等静压 | r 预烧 j 烧结 i 塑性加工 图2 - 1 镧钪钼阴极丝材制作流程图 ( 1 ) 一次还原 胁0 3 + 2 m 0 0 2 + h 2 0 t 还原设备是推舟式四管还原炉。 装舟量： 2 2 5 k g 舟 推舟速率：1 舟2 0 r a i n 还原温度段分为三带：一带温度；4 8 0 。c 二带温度：5 5 0 三带温度：5 9 0 还原后将粉末过4 0 目筛。 ( 2 ) 二次还原 m 0 0 2 + 2 h 2 畚m o + 2 h 2 0 个 还原设备为推舟式十三管还原炉。 装舟量：2 0 0 9 , 舟 推舟速率：2 舟3 0 m i n 还原温度段分为五带：一带温度：8 9 0 6 c 二带温度：9 6 5 三带温度：9 6 5 四带温度：9 6 5 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 北京王妲大学工学硬士学位论文 五带滋度：9 7 0 。c 还原后将粉来过8 0 嗣筛两次。 2 2 4 混合、魇制、预烧结 混料薅，将上述还原褥到豹羚来过1 6 0 耳豹抟准戆，然蜃，羽学浊霸滔精配 制的润滑剂与粉末混合，经2 0 0 m p a 冷等静压( c i p ) 成型后，立即进行预烧结， 麓结温囊灸l l o o 1 2 0 e 。 2 2 5 烧结 采用中频烧结方式对样品进行烧结，即感应线暖产生交变磁通穿过放置于感 皮嚣孛心经量约鑫属瓣辩 罄霸棒等) 产生感疲涎滚发热，穰煮热辐射毅热对滚 间接加热烧结材料。 孛簇浇结瀑爱为1 8 0 0 。 具体烧结工范如下： 融室渥秀滢至5 0 q ，麓辩0 + 5 ，l 、露； 豳5 0 0 升温至9 0 0 ，用时1 0 小时； 9 0 0 保滋1 0 枣涎； 豳9 0 0 升温至1 2 0 0 ，用时1 0 小时； 1 2 0 0 ( 2 舔溢1 0 小时： 幽1 2 0 0 c 升温至1 5 0 0 ( 2 ，用时0 7 5 小时； 1 5 0 0 c 保瀣l 。5 ，j 、对； 由1 5 0 0 升温至1 8 0 0 ，用时2 5 小时； 1 8 0 0 僚溢7 5 小时； 自由降濑。 2 2 6 塑性加誓 由烧结坯条避行望燃烟工残丝毒| 戆工艺滚稷巍纯镪基本是一榉，只是工艺参 数有所不同。 鸯蘩工工笼流程及王艺参数： 2 0 3 镁锻 l ( 加热温度约1 4 7 0 c ，经乇遵模加工成辩o m m 的圈条) 2 0 2 镰锻 l ( 加热温度约9 5 0 ( 2 ，经六道横加工成粥8 m m ) 一l 垂- 第2 章潮锭铝蕊援聿| 料割各及性能研究 攀邕皇曹等量崮嬲鼍曼曼鼍曼鼎i i 皇i 曼量量量舅皇舞鼍曼鼍燃皇曼曼! 蔓嬲癌量兰皇曼鼍懋皇曼曼鼍e s 燃 2 0 1 镌锻 l ( 加热温度约7 0 0 c ，缀四道横加工成西1 8 0 m m ) 戴亿邋灾 i ( a n 热漏度1 3 0 0 ( 2 ，遇火时间3 0 r a i n ，氢气保护) 拉丝( 1 0 0 0 ) l ( 栩热滠度约7 0 0 c 缀兰遭横加工藏0 1 0 4 r m n ，满足6 t 5 1 管阴极丝径要求) 氧化退火 1 逶必漾痊绞1 3 0 0 。c ，遗犬跨阉3 0 r a i n ，燕气操护) 拉丝( 1 0 0 0 ) l ( 躲煞溢度终9 0 0 c ，经五遴穰鸯瓣工纛婚+ 6 0 m m ) 拉丝( 5 0 0 ) ( 加热流度约5 0 0 c ，经十道横加工成审o 2 6 2 m m ，满足t m 9 2 8 管阱拔丝径要求) 根据下面输出的公式通过计算压缩鬟来进行镅材每道次的变形爨的计葬， 并且计算出钼材在塑性加工过穗中总的变形量。 ( 1 ) 压缩率s 在旋锻和拉 审时，燧条断面的相对减缩量，称为压缩率或加 工搴。 坯祭经过一次压缩时断面筒积的绝对减缩爨与坯祭在变形前断面面积之比 懿吾分数称鸯瀵次压缩翠。 s = ( ，1 d 一只) 如】1 0 0 = 【( d 2 - d 2 ) 0 2 x 1 0 0 ( 2 - - 3 ) 式中如，乃一坯条在旋锻前、后的断面面积( m m 2 ) d ，d 一鹱条在鼹锻藏、嚣夔壹较( r a m ) ( 2 ) 总压缩率如燧条断面面积的总绝对减缩量与坯条在变形前断面面积之 魄豹酉分数称为总歪缭率。 s = 【( f d 乒二) 】x l o o = 【( d 2 一或2 ) 0 2 x 1 0 0 ( 2 4 ) 式中如一坯祭在旋锻前的断面面积( r a m 2 ) 忍厂_ 坯条奁旋锻至一定遭次露瓣瑟覆露积( m m 2 ) 肛一坯条在旋锻前的直径( 蛐) 岙一坯条在旋锻至一定邀次嚣章昀盏径( 琳m ) 建累z 驻太掌置攀碛攀程蒋交 , = , i i i ! 1 , , i , , i , i j ii | ! s s 下蘸燕变形爨蕊嚣爨； a 旋锻2 0 3 将豪横为0 1 6 3 m m 的烧结蜓条通斌7 道模( 0 1 3 4 m m ， 牮1 2 。5 r a m ，疹 ! 3 r a m ，礴i 0 3 r a m ，0 9 a r m 慧，懿，7 m m ，0 8 ，o m m ) 麓工或蕊，o m m 灼绸材。搬撂公式( 2 - - 3 ) 霄最a 1 = 3 2 。4 ，e 破= t 3 ，o ，8 a 3 = 1 8 3 ， a 4 = 1 6 9 ，岛s = 1 6 7 ， 岛6 = 1 4 3 ，岛s = t 5 。4 。穰耀公式( 2 一碡) 畜龟7 5 9 。 b 旋锻，2 0 2 将塞经巍堪。o m m 豹镪秘遥憋6 遵摸( 0 7 2 m m ，0 6 4 r a m ， 0 5 8 m m ，0 5 1 件蝴，0 4 3 m m ，0 3 g r a m ) 加王成0 3 8 r m 1 a 的钢材。根据公式( 忿 - - 3 ) 蠢e 辍= 1 9 o ，戢- - 2 t ，瓢e 懿= 1 7 。9 鸯幸2 。? 甄魏艘葚，鲻i 鹞矿2 | 。9 投攥 公式( 2 4 ) 有 b = 7 7 4 。 e 鬻瓣2 0 t 蒋囊鼹舞0 3 。8 m m 嚣键耱透过4 遂黎( 0 2 。7 5 m m ，凄蹬。2 5 m m ， 0 1 ，8 0 m m ) 加工成0 1 ，8 0 m m 的铡材。根据公式( 2 3 ) 肖岛1 = 4 7 6 ，纯2 = 3 3 1 。 瓤- - 3 6 o ，狠爨公式( 2 ) 霄薅产耳。瘁。 d 投丝 1 0 0 0 ) 将嶷缝共簪l 。8 0 m m 的键材邋过3 道模( 垄1 ，5 1 m m ，够l ，2 t m m ， o i 0 4 m m ) 加工成0 1 0 4 m m 的银材。辙据公式( 2 3 ) 脊句l = 2 9 6 ，驹2 ；3 5 8 ， c 奄s - - - 2 6 。l 。壤溅公式( 2 霉套毽f 酾，麟。 、 e 投丝( 1 0 0 0 ) 将髓径为蛹1 0 4 r a m 的铝材瀵过5 满模(