（物理电子学专业论文）微波管钡钨阴极制备和性能的研究.pdf

搦要 为了邋应大功率微波管浆发袋，本文展开了对楚性能( 大电滚密度、长寿命) 阴极豹研究，研究工撵镪括阴极割餐王艺、钡钨阴缀基金属对鞠极发射性能影响、 以及钡钨阴极基底内部结构无损检测及表面形貌梭测、钡钨阴极发射机理探讨及 应嗣霆个方瑟戆实验耪灌论戆磅变。 本论文的主要创新点包括： 1 ) 浆用压制一次成型的方法制螽钡钨阴极的基底，摸索出一套稳定的工莲， 这薜基底裔显著豹优赢。 2 ) 对不同元素配比的二元和三元混合阴极撼底的制备工慧和发射性能开展 了实验磺究，在增大发射髓力，延长海会和降低烧绫温度等方颟有重要进展，取 褥了有价德的盼段成聚。 3 ) 采用c t 微焦点系统等检测午段对阴极然底的内部和袭面微观结构进行 了定量霸定接酶癸提，蠢望成为控铡鞠极基底戆矮爨重要手段。 4 ) 就当前钡钨荫极发射杌理的两个主要理论模型作了自融的探讨，并初探 了钡钨阴极中钡的供威机制及发射寿命预测的问题，而且用理豢逊公式的推导和 m u l l e r 诗熬飘镤羧法躺耩了混合基锻钨鞠援熬甓楚瞧戆。 关键词：钡钨阴极 混合基钡钨阴极制备发射性能计算机断层扫描 阴极发射机理 p r e p a r a t i o n a n dp e r f o r m a n c e s t u d y o nt h em i c r o w a v et u b e b a r i u m t u n g s t e nc a t h o d e z h a n gh o n g - w e i ( p h y s i c a l e l e c t r o n i c s ) d i r e c t e db y d i n g y a o g e n ( r e s e a r c hf e l l o w ) a b s t r a c t w i 也t h e d e v e l o p m e n to fh i g hp o w e rm i c r o w a v e t u b e t h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n ti n v e s t i g a t i o no f t h eh i g hp e r f o r m a n c ec a t h o d eh a v eb e e nc o n d u c t e d t h e r e s e a r c hw o r ki n c l u d e sh o wt op r e p a r et h eh i g h p e r f o r m a n c ec a t h o d ea n dt h ee 丘j c to f t h eb a s e dm e t a lo nt h ec a t h o d ee m i s s i o n ，t h em e a s u r e m e n to ft h ei n n e ra n ds u r f a c e f i n es t r u c t u r e so ft h ec a t h o d e ，t h ed i s c u s s i o no fe m i s s i o nm e c h a n i s mo f t h e r m i o n i c c a t h o d e a f t e ral o to f e x p e r i m e n t ，w ef i n a l l yd e t e r m i n e dt h ec a t h o d ep r e p a r a t i o nw i t ha n e x c e l l e n t e m i s s i o n u n d e r g o n et h ep o w d e rm e t a l l u r g y , t h ec a t h o d ep o s s e s s e ss i x t j a t l l r e s ，b u tt h e o r d i n a r y c a t h o d en o t t h e c a t h o d e sb o t ho ft h e p r e p a r e d t u n g s t e n b a s e db a r i u m t u n g s t e nc a t h o d ea n dm i x e dm e t a lb a r i u m t u n g s t e nc a t h o d e h a v e ，n o to n l yh i g hc u r r e n td e n s i t y , b u ta l s oal o n gl i f e ，s i m p l i f i e dp r o c e d u r ea n d s t a b l ep e r f o r m a n c e ，a n ds oo n a n dw em a d ec e r t a i nt w o g o o da d d i t i v e sc r 2 0 3a n dn i 2 0 3t h a tm a k et h ec a t h o d e p e r f o r m a n c em o r ee x c e l l e n t w em a d eg o o du s eo ft h ei n d u s t r i a l c o m p u t e dt o m o g r a p h y ( i c t ) ，s c a n n i n g e l e c t r o n i cm i c r o g r a p h ( s e m ) a n d i m a g i n ga n a l y s i sa s s e m b l et oi n v e s t i g a t et h ei n n e r a n ds u r f a c ef i n es t r u c t u r e so f t h ec a t h o d ei nq u a l i t ya n d q u a n t i t y a san o n d e s t m c t i v e t e 。h n i q u 。t om e a s u r et h ei n n e rf i n es t r u c t u r eo ft h ec a t h o d e ，t h ei c t h a st h eu n i q u e 2 a d v a n t a g e w ed i s c u s s e dt h ee m i s s i o nm e c h a n i s mo f t h e r m i o n i cc a t h o d e ，a n dt r i e dt oe x p l a i n t h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fm i x e dm e t a lc a t h o d eb yr i c h a r d s o nf o r m u l aa n d m u l l e r sc o m p u t a t i o n a lm o d e l k e y w o r d s ：b a r i u m _ t u n g s t e nc a t h o d e m i x e dm e t a lb a r i u m t u n g s t e n c a t h o d e ； p r e p a r a t i o n ；e m i s s i o np e r f o r m a n c e ；i n d u s t r i a lc o m p u t e d r o m o g r a p h y ；t h ee m i s s i o n m e c h a n i s mo f t h e r m i o n i cc a t h o d e 3 第一章引言 第一章引言 1 1 热阴极发展历史和现状 热阴极作为真空电子器件的电子发射源，对大功率微波器件的功率输出和寿 命等性能起着至关重要的作用，被认为是真空电子器件的核心部件。因此，在真 空电子器件的研发领域阴极技术研究的进展将在很大程度上决定真空电子器件 尤其是大功率微波器件的发展进程。事实上，高发射电流密度阴极是实现大功率 微波器件的最关键技术和重大基础技术。1 。与此同时，对阴极工作温度、寿命、 工作稳定性以及阴极工作的启动时间等要求也随之提高0 1 。 热阴极的历史可以追溯到十九世纪，但热阴极的长足发展和进步却是在近 5 0 年内完成的，从图1 1 可以看出，随着时代的进步，热阴极的发射电流密度大 幅增长。在这一百年里尽管所出现的热阴极样式种类繁多，但所追求的性能共同 点都是：大电流发射密度、低工作温度、长寿命、抗中毒性、能抵御离子轰击等 等。 图1 1 热阴极的发展历史f 4 】 我们把热阴极的发展划分为三个阶段：纯金属阴极阶段，氧化物阴极阶段和 扩散式阴极阶段。 徽波管钡钨阴撤制备和性能的辨究 1 。1 1 鳃金属阴极 1 8 8 3 年，t h o m a sf a i s o n 在实验中，发现纯焱属热电子发射现象，邵在灯泡 里的一个电极相对炽热的灯丝构成了网路，这就怒藩名的e d i s o n 效应。e d i s o n 效应鲍零艨寰到1 8 9 7 年才被t h o m s o n 所揭示。 纯金属阴极( 钨、铜、钽、铼) 及其衍生的原予薄膜阴极( 钍钨阴极、铈钨 阴极、碳化钍钨阴极、锨铼钨阴极) 主要用于大功率发射管、静电计管、大型电 子寒纹器翡毫子源、毫巍源器箨等。 1 1 2 毓化物阴极 1 9 0 3 年，w e h n e l t a 等人恕碱土氛纯貔涂敷劐众羼毫极上，扶燕发理了疑毒 低表面逸出功的氧纯物阴极。氧化物掰极的出现燕阴极历史上的一个里程碑。 对氧化物阴极的研究在5 0 、6 0 颦代进入了高峰，特别是对其发射机理的研 究， 较露影襄夔有“拳导薅攘登”鞠“蘑态表甏发射孛心搂黧”。 与纯众属阴极相比，氧化物阴极能提供更均匀、更高密度的电子注。氧化物 阴极的工馋湿度可视具体的器件应用浓加以选择，扶6 5 0 c 8 5 0 c 不等；可掇供 典垄酌连续波电流密度在o ，1 a c m 2 - 0 ，5 a c m 2 鹣范围内；激冲电流密发在 5 - 1 0 a c m 2 的范围内。但飘化物阴极的缺陷也是明摄的，由于中间层电阻热效应， 使摄氧佬物掰极不适合农长辣冲或妻溅( 壹淀电流密度选择不大予1 a e r a 2 ) 凌 态下工作，此外，抗气体中毒能力差、高电场下打火以及涂层的机械强度不足也 是在使用中经常遇到的问题。 改遴羹豹氧疆耪瓣缀惫括：镰海缡溺蔽、耱数镰鞠稷、薄貘沉积型氧纯携酾 极等。 氧化物熙极主要蘑予低功率( 1 2 0 w ) 连续波纷波管、黥冲雩亍波管( 遴鬻袋 大脉宽不超过5 0 弘s ) l 冀及高功率、短脉冲的速调管等。 1 1 3 扩散式阴极【4 】 1 9 5 0 笮，p h i l i p s 公露鹣h ，j 。l e m m e n s 发鞠枣塞赣备式“l ”黧胡极，最裙的 2 第一章引言 “l ，型阴极如图1 , 2 ( a ) 所示。 孵铲铲 支持多孔钨基的钼筒的小室内储存的是碱土碳酸盐坯，受热时碳酸盐分解成 氧化物迁徙至多孔钨体内并与钨反应，在钨表面形成层低功函数的钡- 氧膜体 系，但由于碳酸盐分解产生的大量二氧化碳不易驱除，给制管排气带来很大的不 便。 为了缩短排气时间，尝试在储备小室内直接加入了氧化钡或过氧化钡，然而 氧化钡或过氧化钡的化学活跃性，以及对多孔钨发射体与钼筒之间的气密封接性 的要求，又不可避免地使制备工艺复杂化。 1 9 5 1 年，北美p h i l i p s 公司的r c h u g h e s 在实验中发现，把铝酸钡和钨粉混 合压制烧结所得到的阴极一压制阴极性能明显优于“l ”型阴极，且解决了“l ” 型阴极放气多，激括温度不易控制的问题。 1 9 5 2 年，r l e v i 和r c h u g h e s 采用了浸渍的方法，把铝酸钡( 5 b a o 2 a 1 2 0 3 ) 通过高温熔化浸入多孔钨体内，浸渍后的多孔钨体方便机械加工成型，发射表面 徽波罄锾钨鬻辍制舔葶藿蛙髓鹣疆笺 也可比压制阴极做的更光滑，此即p h i l i p s “a ”型阴极。 1 9 5 5 年，r ，l e v i 在活经物壤中弓l 入了c a o ，发瑷c a o 可敬降甄镢毂蒸发率， 同时显著提高戮极的发射骸能，这就是殿早的浸渍锁钨阴极，其没渍成分为 5 b a o ：3 c a o ：2 a 1 2 0 3 ( 简称5 - 3 - 2 ) ，这种5 3 - 2 配方的浸渍钡钨明极被命名为 p h i l i p s b 型酸极，参整嚣1 2 7 5 0 0 0c l l 、f 荧国 ( v a 掰渔n ) 熬泞1 4 0 1 0 0实验室 s i m e n s冀流2 - 48 0 0 0 0t w t 德图 p 珏l l | p s躲净4 6 0 实验室 n e c2 1 0 0 0 0t w t 日本嶷流 t o s 聪l b a2 7 0 07 猕，t 6 第一章引言 i 2 扩散式热阴极分类及其发展趋势 现代微波管主流热阴极是扩散式阴极。它们具有一些共同特点：大电流密度 发射能力；工作温度低；热子的功率小：较好的发射均匀性；气体中毒后的快速 恢复：能承受一定的离子轰击；高可靠、长寿命等。它们基本分为三类：浸渍型 阴极、储备式阴极、钪系阴极。表1 2 是扩散式阴极的三种基本分类与历史演变 表。 表1 2 扩散式阴极的三种基本分类与历史演变 1 9 1 m 墨1 9 6 6 卑p 脚m 墨疆l 髓o 串鼬嘲啪攫矗舞 l g 玎年p 舡此l p i 糙衙瓣 需要指出的是：没有通用的阴极。在实际工作中，必须根据不同的管型而对 璧墨锱 腕一衙一衙一 班 塑 盛 器 囊 喊 一 器斟 鬻篇 m 圆曲 微波管钡钨酾极制备和性能的研究 阴极加以选择【2 0 j 【2 “。即使是同一类阴极也必须掇据该管型的工作状态、绪构和 具傣参数的要求丽采敬耜应遗处理筑范。在j f 哥戮檄翡使蠲遥程帮是一个极为“复 杂的物理化学反应系统”，只有采用科学的分析方法才能深入地理解影响发射的 机制，也方把阴极的实际水平真实她发挥出来。 扩散斌阴极发展到今天已有5 0 多年的历史了。从早期的“l ”型阴极、“b ” 型阴极、“m ”型阴极到后来的“m m h d ”型阴极、c p d 一阴极、顶层钪酸盐阴极， 逮鬃闻，7 0 年我表露分辑援术戆赉溪，挺进了热掰投戆发筹橇瑾磺窕，悉焱瓣 极的研究和制造过程中，适时地引入薄膜技术、半导体工艺以及激光技术，也极 大地改进了扩散式阴极的制各工艺，使得其无论怒在发射电流密度、工作温度、 寿鑫，还怒工艺懿重簧穗、一致犍、可靠经方嚣，鄹致褥了巨大豹遗多，掰窍这 一切都使现代扩散式阴极的发展达到了前所未有的高度。 迄今为止，各耱扩数式阴极广泛媳矮于行波镑、速谖管、磁控管、豳旋警、 离子韵推器、自由电子激光、阴极射线管以及气体放电灯、阍流管等。正跫由于 这些器件的需求牵引才肖了扩散式阴极的不断演变和发展。在上述器件中扩散式 臻投霹使鲻豹发懿电溅糍发放g t 2 5 戮1 0 a e r a 2 ，警予毒念跌忍露小瓣爨二卡万枣 时不等( 视具体器件要求而定) 。对绝大多数微波镣( “o ”型器件) 而言，阴极 电流密度通常要求工作程2 - 1 0 a c m 2 ，特殊的如毫米波器件、多注器件所要对乏的 鞠较毫滚爨疫毫予4 0 a c m 2 ，未来簧浓蘸摄能撬袋1 0 0 a e r a 2 戳上瓣电流密淡。 从各方丽检索结果来看，每年都肖数十篇与新阴极研制、阴极测试、阴极寿 命、阴极机瑷等方面的磷究论文刊登。在美国和欧洲专利里，鸯关灏阴极方蕊的 专利更是缀多。本文设簇示u sp a t e n t s 检索( 飘1 9 7 6 年以来) 和e i 9 0 馨代 检索的部分结果，见附录l a 由此可见，这一领域的研究仍然比较活跃，国际学 术界对阴极，尤其扩敷浅冁援孛的缀多物理现象还缀不滇楚，缀多勰题仍套德遗 一步解决。 今后扩敞式热阴极的发展趋势表现在以下五个方面【5 j f l 8 ，阱j ： 1 ) 大力发震蕉湛大魄漉密度戮投。类是锭羧箍胡极及其变钵静研究，常 8 第一霉引言 规的浸溃钪酸盐阴极靼顶层钪酸盐阴极的耐离子轰击能力翘发射均匀性仍有待 改进；翳一类是m 溅鞠扳磷究，在攀元骥覆羧溺稷基磴上_ 开震多元骥疆貘鬻 极研究；第三类是混合基阴极研究，开展其配方、晶体结构与发射关系的研究a 2 ) 开震离可靠嬲裰热予缝彳孛方蟊戆研究。辩材料熬选撵、缝髂鲍结构、熬 计算等都需要深入研究，以期得至g 熏可靠的组伟。 3 ) 开展纳米活性发射物质材料的研究。 4 ) 工艺稳定谯、霪复往窝寿命的提高。 5 ) 阴极检测手段臻完善。高可靠的器件离不开高可靠的阴极，高可靠的阴 极离不嚣突善鲍检测等段。 1 3 课题研究背景及研究意义 盘予鞠掇技术静褥蕊与徽跛激舞空器 孛麓秀缀、抉伐密韬褶关，困魏潮际上 对微波器件中的关键技术之一的阴极技术给予了究分的重视。锌种新型阴檄技术 层出不穷，性能也照之不断地提赢。 舒对离平均功率筑带微波器件的特点，混合罄钡钨阴援( m m m ) 和覆膜混 合基钡钨阴极( c m m ) 将是目前阴极技术发展的重要方向。混合基钡钨阴极 ( m m m ) 秘覆膜混会蒸锾钨鼹檬( c m m ) 其森袭嚣逸窭珐 夔、发袈电滚大、工 作稳定做好、抗中毒和耐离子轰击熊力强等特点，适合于在搿工作比、大功率宽 带微波器件( 如速调管) 中应用。1 9 7 9 年由lrf a l c e l 2 习等首先成功研制出w - i r 漫台基镁镪弼稷，势镶倏载兴建稳美骚宠开发豹热熹。蓬嚣稳二卡年里各嚣躺研 究人员通过采用一系列的新工艺、新设计思想，出现诸如w - o s 、w - r h 等混合 基钡钨阴极和c m m 阴极等众多不嘲的新形式和技术延律。这类鼹极在可预觅匏 将来会菠溪得菲鬻遮遮e 在i v e s c - 2 0 0 2 论文孛，耱有三篇关予这类弱极盼 2 4 】f 2 s j 口q 文章。闼际上，日本n e c 和t o s h i b a 、荷兰p h i l i p s 、美国c p i 和h u g h e s 、法 国t h o m s o n _ c s f 、俄罗颊t o f f y 和i s t o k 等在嬲极方蘑盼研究跑较深入。媛薮 豹穗关资料显示目前迸步 实用扩散式阴极豹发射电流密度东乎遮到3 0 a e r a 2 以 9 微波管钡钨l 羽极制备和性能的研冤 上，阴极寿命可以达到上万小时。而研究中的钪系覆膜浸渍钡钨阴极的脉冲发射 电流密度更是高达数百a ，c m 2 。在基础研究领域，七十年代以来众多微观分析手 段应用于阴极机理性研究，从而能够更深入地探索扩散式阴极的电子发射机制， 并在此基础上提出一些很有价值的阴极发射模型。 国内的研究工作者经过多年的努力，在吸收消化国外相关研究成果的基础上 做了许多卓有成效的工作，取得了一些进展。然而国内扩散式阴极的水平在基础 研究和应用生产等领域都与国外存在较大差距，集中表现在阴极种类、发射水平、 寿命和一致性等方面。目前实用的覆膜浸渍钡钨阴极电流发射密度低于 1 5 a y c m 2 。阴极寿命差距则更大，只能达到几百到上千小时。至于诸如钪系覆膜 浸渍钡钨阴极这样的大电流密度阴极的研究进展也并不理想。一些重要类型的m 型阴极甚至还依赖于进口。由于各种原因，国内阴极技术的基础研究更是长期止 步不前。因此从长远和战略的高度来看，开展高性能扩散式阴极的基础和应用研 究就显得十分必要和迫切。 美、俄等国多年来投入了大量精力开展阴极技术的研究和攻关，以适应军用 微波器件发展的需要，确立了它们在这方面的技术领先地位。目前军用微波器件 正在逐渐向大功率、高工作比、宽频带、体积小、重量轻的方向发展。例如超大 功率干扰机所需的微波源峰值功率超过1 m w ，平均功率超过2 0 0 k w 。此类大功 率高性能军用微波器件需要大发射电流密度的阴极才能满足要求。但从目前国内 的阴极研究现状来看，我们在阴极发射性能、可靠性、工艺稳定性等方面与先进 国家相比仍有相当大的差距，已不能满足微波器件发展的迫切要求。因此，我们 的目的就是要研制应用于高平均功率宽带微波管的实用化低温大电流密度阴极。 开展大发射电流密度、低温长寿命的高性能阴极的深入研究并应用于制管， 不仅对大功率军用微波器件的研制，实现其中关键技术的自主化有现实意义，而 且通过这一课题的研究，对提高我们现有的阴极技术水平，缩短与先进国家的差 距，进一步加强阴极技术的应用基础研究等方面都有着长远的意义。 1 0 第一章引言 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作包括下面四个方面实验研究和理论探讨： 一阴极基底制备工艺的研究 本研究要确定有着良好发射性能的阴极基底制备工艺。在本研究中，该阴 极基底经过粉末冶金方法制备后，具有以下六个特色：a 、因为是一次成型， 无须经过传统的覆膜浸渍钡钨阴极生产工艺中浸铜再去铜等两次工艺，简化了 工序，同时也缩短了生产周期，生产效率大副提高。b 、因是压制，而不是车 制加工，阴极面上没有因车制而留下的车纹，阴极表面非常光滑，保证了足够 的光洁度，因为即使是微缺陷，也会不可避免地出现强电场，从而引发击穿( 打 火) 。c 、因不需要化学去铜，所以w 海绵体内外不会留下因酸化而导致的氧 化痕迹，保证了w 海绵体具备与活性物质接触的新鲜面，有利于发射物质有 效地发挥作用，便于电子发射，更不会因去铜不净而留下铜等残余物。d 、因 压制时阴极海绵体与钼筒已连为一体，所以不存在因与钼筒焊接不当而造成对 阴极的污染。e 、因为是在同一模具下成型，所以每个阴极( 即使有弧度) 都 是相同的，工艺重复性和稳定性好，更适合用于要求较高的多注速调管。f 、在 制备过程中，未使用任何不利于阴极性能的添加粉和硝棉粘结剂等。 二混合基钡钨阴极( m m m ) 和覆膜混合基钡钨阴极( c m m ) 的性能研究 在实验中，对混合基钡钨阴极( m m m ) 和覆膜混合基钡钨阴极( c m m ) 进 行大量实验研究，无论是纯钨基底钡钨阴极、w i r ( m m m ) 、w - r e ( c m m ) 混 合基钡钨阴极、w - i r - r h 、w - i r - r u 、w - i t r e 等三元m m m 、c m m 混合基钡钨阴 极都能够拉出高直流电流密度。除上述制备特色外，它们都还具备如下特点：厚 度均匀，表面更光滑，排气和激活时出气更少，所以能够加速管子的处理工艺： 发射均匀，性能稳定，重复性好，可以长期存放；具有和钡钨阴极类似的活性物 质的补偿和金属性，导电导热性好，耐离子轰击，寿命长。 三阴极基底内部结构无损检测和表面形貌检测的研究 微波管钡钨阴极制备和性能的研究 在本研究中，分别用美国b i r 公司a c t i s 工业c t 微焦点系统、k y k y - 2 8 0 0 扫描电子显微镜( s e m ) 和q 5 0 0 图像分析仪组合等检测新方法来定性和定量地 研究阴极基底的内部孔洞结构分布和表面微观形貌特征，得到结论：所制备的阴 极内部和表面孔洞分布均匀，孔径零散性小，孔洞连通好。尤其是应用微焦点计 算机断层扫描( c t ) 来无损检测阴极的内部微细结构，而要无损得到阴极的内 部微细结构是用其他常规方法得不到的。 四阴极电子发射机理的探讨 就当前钡钨阴极发射机理的两个主要理论模型( 单原子层偶极子理论、动态 表面发射中心理论) 作了自己的探讨，并初探了钡钨阴极中钡的供应机制及发射 寿命预测的问题，而且用理查逊公式的推导和m u l l e r 计算机模拟法解释了混合 基钡钨阴极的优良性能。 第一章引言 参考文献 【l 】丁耀根多注这调管技术的新进展真空魄子技术2 0 0 2 。( 5 ) ：8 - 1 3 2 】廖复疆大功率微波真空电子器件对阴极电子源的要求阴极电子源技术研 讨会2 0 0 2 、9 覆门：1 - 3 3 1r m m e l e s h k e v i t c h ，e a g e l v i c h ，e v , z h a r y ，a d z a k o u r d a e v a n dv i p o u g n i n r e q u i r e m e n t st oe l e c t r o ns o u r c e sf o rm o d e mh i 曲一p o w e rm i c r o w a v ed e v i c e s i v e s c - 0 2 ： 1 5 9 j 6 0 【4 】g g a r t n e r e ta 1 a p p l s u r f s c i 111 ( 1 9 9 7 ) 11 囝李攀搦扬豫焚略霾嘉歉鄂文生褒代扩羧式弱投技零鼙颈 阴极电子源技术研讨会2 0 0 2 、9 厦门：4 2 1 【6 】j l c r o n i ni e ep r o c + ，v 0 1 1 2 8p t ，l ，n o 。1 ，f e b r u a r y l 9 8 1 f 7 】r e t h o m a s e ta l ，i e e et r a n s ，e l e c t r o nd e v i c e s v o t 3 7 ，n o 。3 m a r c h l 9 9 0 【8 】a m s h r o f f e ta 1 i m p r e g n a t e dc a t h o d e sr e v u e t e c h n i q u et h o m s o n - c s f , v 0 1 1 4 n o ，3 ，s e p t e m b e r l 9 8 2 9 】 r z a l me ta 1 o s m i u m d i s p e n s e r c a t h o d e s p h i l i p s t e c h r e v v 0 1 2 7 n o 3 - 4 ，1 9 6 6 f 】o 】r e t h o m a se ta 1 a p p l ，s u r f s c i ，v o i ，2 9p 4 9 ，1 9 8 7 【1 1 】u sp a t e n t 3 ，3 5 8 ，1 7 8d e c 1 9 6 7 f 1 2 u sp a t e n t 5 ，2 1 8 ，2 6 3 1 3 】c e g a r n e r e t a l i e e e t r a n s e l e c t r o n d e v i c e s v 0 1 3 6 n o 1 j a n u a r y l 9 8 9 f 1 4 j h a s k e re ta l ，a p p l 。s u r f s c i v o i ，2 61 9 8 6 1 7 3 f 1 5 】王办曼电子部1 2 所第1 6 届学术年会论文集1 9 9 5 年4 月 1 6 】c np a t e n t9 4 11 7 5 2 3 5 【l7 】akc h o p r af i e t e i m p r e g n a t e dd i s p e n s e rm - r y p ec a t h o d e sf o rm w 微渡管钡钨鹂极制备和性能静研究 t u b e s a no v e r v i e wj i n s t n e l e c t r o n i c s & t e l e c o m ，e n g r s ，、酗i ，4 0 n o 1 1 9 9 4p p1 7 之4 1 8 陆卫元谢启辉刘克淑李永平国内外钡钨阴极现状及发展方向 簸掇电子派技术研讨会2 0 0 2 、9 鬟f - j ：3 2 3 6 【1 9 】壬亦曼高电流密度热阴极的进展真空电子技术1 9 9 4 年第4 期8 - 1 3 2 0 】陈其略阎肃秋阴极研制的若干新动向b v e r i 第十六膳学术年会1 9 9 5 年 【2 l 】李攀阉肃获微波警热阴极真窆电子器 串阐颥与震望2 0 0 i 。1 2 2 张瓤卫师绍明白振纲丁耀根俄罗斯阴极的发展真空电子技术 2 0 0 3 ，( 3 ) 特发表 【2 3 l r f a l c e u sp a t e n t n 0 4 ，1 6 5 ，4 7 3 ( 1 9 7 9 ) 2 4 】b c h 。d j u b u a a n do v p o t i v n i k o v as t r a t u m - l i k e s t r u c t u r e dm e t a l a l l o y c a t h o d ei v e s c - 0 2 ：6 5 - 6 6s r p ci s t o k 2 5 】a p m a k a r o v , n m o g o l e v a , a n dz i y u d i n ar e s e r v o i r - t y p ed i s p e n s e rc a t h o d e w i t h t u n g s t e n - r h e n i u mm a t r i x i v e s c 一0 2 ：7 2 7 3l s 约受 2 6 】a y a z o r k i n ，g v k o n u s h k o v , a n ds v s e m e n o vd i f f u s i o nk i n e t i c so f i n t e r m e t a l l i d e sd i s s o l u t i o na n do x i d ef i l mf o r m m i o nu n d e rt h ea c t i o no f a l l o y e d c a t h o d e se s c 0 2 ：3 6 2 3 6 4 1 4 第二章钡钨阴极基金属的金属物理性能 第二章钡钨阴极基金属的物理性能 2 1 热阴极基金属的要求 实用热阴极的基金属材料应具备如下要求】 ( 1 ) 逸出功西尽可能小。从理查逊电子发射方程 小ao t 2 e x p ( 一纠 协。， 式中4 = 4 ；r i o , n 广k 2 = 1 2 0 4 a c m - 2 g - 2 为发射常数； d 为功函数； k 为b o l t z m a n n 常数 我们知道逸出功低时，才能在较低的温度下有较大的发射电流。 ( 2 ) 熔点要高。同样从发射方程和逸出功的数值看出，工作温度提高对增大发 射电流是有利的。但是工作温度必须远低于熔点，因此只有熔点高的金属才能满 足要求，象铯的= 1 9 3 电子伏，是金属中逸出功最低的，但因其熔点仅为2 8 5 ，显然不能作用热阴极。 ( 3 ) 在工作温度下蒸发率要小，也就是蒸汽压要低，一般要低于1 0 。托。蒸发 与熔点是切联系着的，在同一温度下，高熔点的金属一般也有小的蒸发率。通常 材料的蒸汽压p 与温度t 之间有如下的近似关系： 1 妒：爿一i b ( 2 2 ) 式中a 、b 是一材料有关的常数，可直接由实验确定，或查阅有关文献来得到。 表2 1 中列出一些金属的a 、b 值，t 为绝对温度( k ) ，p 的单位为微米汞柱。 微波管钡钨阴极制各和性能的研究 表2 1一些金属的蒸汽压方程中的计算常数【2 1 金属 ab w 1 2 4 4 0 6 8 x1 0 4 r u1 3 5 03 3 8 x 1 0 4 i m1 2 9 42 7 7 2 x1 0 4 o s1 3 5 93 7 x l o i r 1 3 0 73 1 2 3 x1 0 4 】l t o 玎= 1x 1 0 um h 9 2 1 3 3 3 2 2 p a 由此表，即可得到当用上表中所列材料做阴极，在工作温度( 1 2 0 0 k - - 1 3 0 0 k ) 时，蒸发率非常小。 ( 4 ) 必须具有适当的机械性能，特别是在高温下要具有足够的机械强度。同时 为了易于成形，还必须具有较好的延展性。 ( 5 ) 应当较易获得，并且价格较低。 热阴极的基金属材料要满足以上全部要求虽然很困难，但实用于阴极生产中 的主要有难熔金属钨、钼、铼以及少量铂族金属铱、铑、锇、钌的。通常把熔点 高于2 0 0 0 。c 以上的金属材料称为难熔金属。它们的共同特点是：熔点高、蒸发 率小，蒸汽压低：机械强度高，尤其在高温下，仍能保持良好的形状稳定性，蠕 变现象不显著；硬度较大，故加工性能不太好，膨胀系数与硬玻璃相近，化学性 质较稳定，抗酸、碱能力强。无论是难熔金属，还是铂族金属，它们都属于稀有 金属，因而价格较贵，尤其是铂族金属。 2 2 难熔金属钨、铝、铼的物理性质1 2 1 1 3 1 下面介绍难熔金属钨、钼、铼的物理性质。 6 一墨要型型墼塑丝量避盟 2 2 。l 钨的物理性质 2 。2 1 ，1 结构性质 裁冬竣极嚣残麴钨是a 钨。8 钨是一季孛a 2 或i m 3 m 垒俸，立方缝襁熬稳定 形式，在( o ，0 ，o ) 和( t 2 ，l 缘，1 2 ) 方位上每个晶胞肖两个原子。程2 5 4 c 时晶格常数，a ；3 , 1 6 5 2 2 - - - 0 0 0 0 0 9 埃。相应的最短原子间躐愿2 7 4 1 1 6 埃n 2 。2 1 。2 蒸学毪璇 钨的熔点是3 4 1 0 _ + 2 0 c ( c e z a i r li y a n ，1 9 7 2 ) ，沸点5 7 2 2 _ + 2 0 0 4 c ( r i e c k ， 1 9 6 7 ) ，漆雾湿度2 3 0 0 0 ( ，这个数德是弦定藕赛压力为1 0 0 0 0 大气鹾丽计算穗来 的。熔融热为9 6 + - - 1 6 千卡克分子，升华热是2 0 5 5 - - + i 1 千卡克分子( p l a n t e 积s e s s o m s ，1 9 7 3 ) 。 在绝对温度2 9 8 1 7 7 3 k ( 2 5 1 5 0 0 c ) 的中温下，熟膨胀可由下筑计算 ( c o n w a y 和l o s e k a m p ，1 9 6 6 ) 。 一l - 厂l 2 s c _ - x 1 0 0 = 岛+ 4 r + 如r 2 心5 。 ( 2 3 ) 式孛零系摄氏瀑发；系数& 、艇露起熬数鬣嚣裹2 。2 。 表2 2 系数a 0 、a 。和如的数值 材糕盏a 1a 2 粉末冶衾棒，8 6 9 1 0 03 8 3 1 0 47 9 2 1 0 “8 1 7 搬波餐钡钨翻摄制嚣翻性能豹硬究 一 图2 1 钨的热导率与温度的关系图2 , 2 相对热导率 o 与相对密魔s 的函数关系 钨的热导攀以与温度的滋数关系示予躅2 。l ，丽圈2 ，2 表示出热导率与相对 密度静函数关系( f r a n c o i s 等入，1 9 7 2 ) 。由圈2 2 氇霹缢得羁童栩1 搿密度为o 8 时( 即孔度为2 0 ) ，钨的相对热导率x xo 是o 6 珈7 之间，并随着孔度的增 热，热导率骥之下降。 2 2 1 3 光学性质 圈2 3 表示钨的光谱发射率与波长的关系，表2 3 农示在0 3 s 微米范围内 鹤瓣稼准莘惫羧袈率。 第二章钡钨瓣毂基金属熬金属浆理性能 鞠2 t 3 钨的光谱发射率与波长熬关系 表2 3 磁o 3 5 微米范围内钨的标准单色发射率 堡鍪篁篁塑塑塑型墨塑堡堡麴塑签 l 。40 。2 9 5 0 2 9 6 1 60 2 5 9 0 2 6 2 1 80 。2 2 20 2 2 8 2 o0 1 8 60 1 9 5 2 。2o 。1 6 0 l 。1 7 1 2 4o 1 4 2o 1 5 4 2 6o 。1 2 9o 1 4 l 2 _ 8 o 1 1 90 1 3 1 3 。o o ，1 1 20 。1 2 3 3 40 1 0 0 o 1 1 1 3 8 0 。0 9 10 1 髭 4 2 0 ，0 8 2 0 0 9 3 4 6 0 0 7 9 e 。8 8 5 o 0 0 7 8 0 0 8 8 峦整2 3 霹表2 ，3 霹馥褥娶钨兹0 6 5 缴米哥楚受波彀熬弦准擎色发辩察是 0 4 5 。这对于在阴极工作时，计算其真实的温度是非常重要的。 2 。2 1 4 逸出功性质 表2 4 寝示在各个结晶方向上钨豹逸出功和逸幽功温度系数。 表2 4 在各个结晶方向上钨的逸出功和逸出功温度系数 第二章钡钨阴极基金属的金属物理性能 3 1 0 】 ( 1 0 0 )4 5 9 【1 0 0 】 ( 1 1 0 )5 1 51 0 9 1 1 0 】 ( 1 1 0 )5 7 91 7 0 【3 1 0 】 ( 1 1 0 )5 0 2 3 1 0 】 ( 1 1 1 )4 4 9+ 3 5 3 1 0 1 ( 2 1 0 )4 9 31 4 _ 3 【3 1 0 ( 3 1 0 )4 2 1 3 2 j 1 1 0 】 ( 6 1 0 )4 t 3 2+ 5 o 多晶体4 5 2 从表2 4 可以得到钨的逸出功和逸出功温度系数与各个结晶方向有很大的 关系，并且数值之间相差较大。 在难熔金属中钨的熔点最高，蒸汽压最低，线膨胀系数最小，辐射本领最佳； 高温下，钨的机械强度高，且电子发射性能稳定，溅射率小，能耐高能离子轰击。 因此用作电子发射装置和电子管的阴极或热予以及白炽灯的灯丝等。还可与硬玻 璃中的钨组玻璃进行匹配封接。 在实用扩散式阴极中，用得大多为钨海绵体，它的孔隙多少和孔径大小、连 通状况及其分布的均匀性等都直接影响钡钨阴极的性能。如：阴极的工作寿命、 活性物质的蒸发、发射电流的大小及其均匀性等等。对于其孔隙的检测，详见第 五章第一节。 钼的导热性能好，比热和线膨胀系数小，强度、硬度较钨稍低，延伸率在未 退火前与钨相近，退火后达2 0 5 0 。因此钼比钨容易加工，可制成片、带等各 微波管钡钨阴极制各和性能的研究 种形状的零件。但钼的点焊性能差。在高温下，钼的蒸发速率较大，故不宜用作 工作温度很高的零件。 2 2 3 铼 铼的蒸发率低，具有很高的电阻率和良好的延展性。它在空气中很稳定，并 有很好的抗蚀性能。铼具有比钨更良好的高温工作性能，高温下有足够的强度和 热稳定性，不易变形，并能抵抗“水循环”，因此可利用铼的这一特性来改善钨 的性能。由于铼十分稀少，一般不单独使用。 表2 5 是钨钼铼的主要物理性能参数表。 表2 5 钨钼铼的主要物理性能参数表嘲 参属 、望j 钨钼 铼 熔点( ) 3 4 1 0 2 0 2 6 2 0 1 03 1 8 0 2 0 比重( g c m 3 ) ( 2 0 c ) 1 9 - 31 0 2 2 1 2 比热( 4 1 8 6 j g ) ( 2 0 c ) 0 0 3 40 0 6 2 4 0 3 3 热导率( 4 ，1 8 6 w e m ) 0 3 10 ，3 8 20 1 1 1 线膨胀系数 2 0 ( 2 5 ) 4 4 55 3 56 7 ( x 1 0 7 。1 ) 3 0 0 6 0 0 ( 1 0 0 0 ) 5 5 电阻率( 肛q e r a ) ( 2 0 c )5 4 85 7 82 1 1 电阻温度系数( x 1 0 3 。1 ) 5 15 o 逸出功( e v )4 5 54 1 0 4 8 第= 犟钡钨弱强基惫属的金属物瑷性能 詹里点 ) 抗拉强度0 b ( m p a )软 1 1 0 08 0 01 1 0 0 疆 屈服强度o 。( m p a )敬7 l o 8 2 05 0 0 6 0 02 9 4 硬1 5 0 0 延伸率6 ( )软 02 0 5 0 2 4 硬l 42 5 弹性模量e ( g p a ) 4 2 1 83 5 0 4 7 1 1 泊橙滋驻o 1 7o 3 2 4 蒸气压为1 3 3x1 0 4 p a 时对应 2 6 4 02 l l o 2 4 8 0 的温度( k ) 布氏硬度h b ( m p a )软2 9 0 0 3 5 02 5 0 0 ( h v 硬3 5 0 0 2 3 铺族金属锇、铱、铑、钉的物理性质5 i 2 。3 。1 镪族在元素爨麓表孛戆夔鬟 铂族焱属分属于元素周期表中第族的第二( 钌、铑、钯) 、三( 锇、铱、 链) 两个三元素组。它们帮含有较多的电子( 超避4 4 ) _ j 蘑寒笼全充渍瓣d 魄予 层，称为d 区元素- 由于d 电子对原予核正电荷越着有效的屏蔽使用，所以外层 电子基本不受原子序数增加的影响。特别是在4 d 和5 d 过渡金属之间，插j 簸了 4 f 兹镧系元素，捷镶族众_ | 嚣鳃覆子、寓子半径，骥镄系元素投筑嚣稳差不多( 裘 2 石) ，因而它们的物理化学性质非常相似。 钕渡管钡钨戮撩粕备积往黥鞠研究 一 表2 6 铂族金属原子的性质 性质 r u r h o s l r 原子序数 4 4 4 5 7 67 7 毫子构塑【k r 】稻习 陋】【