M型阴极大电流密度发射性能的研究.doc

型阴极大电流密度发射性能的研究 李季于志强 邵文生 张珂 高玉娟 蔡绍伦 袁海清 王辉 黄开志 陈其略 阎肃秋 中国电子科技集团公司第十二研究所，北京， 摘要作者采用近距离水冷阳极二极管和标准电子枪对型阴极的大电流密度发射能力进行了实验研究。结果表明：二极管内，连续波状态下，在。时，良好的型阴极能获得高于的发射电流密度；标准电子枪内，连续波状态下发射电流密度高于，脉冲状态下发射电流密度高于。其中，电子枪，在 时，脉冲最高发射电流密度高于文中还给出了漫渍钪酸盐阴极的发射测试结果以作为比对。最后，作者列举了部分型阴极在行波管和多注速调管中大电流密度应用的例子。 关键词 型阴极，大电流密度，寿命，发射特性曲线，多注速调管一、 引言 绝大部分真空电子器件的性能和寿命与阴极的发射能力有着密切的关系。做为热电子源的主力，扩散阴极中的型阴极（表面覆一定厚度的锇、铱或锇钌膜）和钪酸盐阴极在实用的微波电真空器件中发挥着至关重要的作用。随着真空电子器件的发展，特别是针对高功率多注速调管和机载双模行波管的特殊要求，制管设计师迫切需要阴极能提供高亮度、发射稳定而均匀的电子注，以获得高导流系数和低压缩比的电子枪。此外，还要求阴极具有良好的抗气体中毒性，能够承受较相对苛刻的工作环境。与浸渍钪酸盐阴极相比，型阴极在微波管内的实际应用方面表现得更为稳定。 作者采用了近距离水冷阳极二极管和标准电子枪对锇膜阴极和铱膜阴极的大电流密度发射能力进行了实验研究。目的是尽可能摸清型阴极的实际应用潜力，为大电流密度制管应用提供指导。二、 实验方法 、 阴极样品的制备 为保证阴极样品比对的可靠性，所有的实验阴极均按照所内覆膜阴极的通用工艺加工完成。钨基体孔度控制在左右，活性物质浸渍组成为：。：。阴极发射体按二极管和标准电子枪的要求分别加工成相应的尺寸。阴极样品表面覆膜成分采用纯锇膜和纯铱膜，厚度分别控制在埃和埃左右。 、 测试结构 近距离水冷阳极二极管和标准电子枪结构被用于评估覆膜阴极的发射性能和寿命。图和图分别给出了这两种测试结构的截面示意图。在二极管内，阴极饼直径为毫米，阴阳极间距约毫米；在电子枪内，阴极饼直径为毫米，导流系数约微朴。二极管的阴极体侧面配有可移动的挡板，以避免阴极蒸发物沉积的玻壳上；电子枪的阳极口外侧斜向开有一个蓝宝石的观察窗，故这两种结构均可以准确、方便、实时地监测阴极的实际工作温度。 、 发射性能测试 在二极管内阴极的热发射特性采用双对数曲线的饱和发射电流密度来确定，把该曲线的线性段的偏离点（又称“拐点”）定义为饱和发射电流。个锇膜阴极和个铱膜在阴极直流寿命测试台上进行了长期的寿命测试。若饱和发射电流下跌，则阴极寿命视为终止。在阴极直流寿命测试过程中，可随时停下来进行脉冲发射性能测试及欠热特性测试，以期有效地考察阴极的目前性能并预测阴极的寿命趋势。阴极温度通常采用光学高温计（，）来测量，辅以双色红外测温仪以方便计算机温度采集。三、 结果与讨论 表所示的支二极管都是在固定阳极电压情况下，连续波支取不同电流密度所得到的结果。所支取的电流密度分别为，。由于连续波大电流密度支取会使铜阳极放气，导致阴极中毒（即使阳极充分水冷也无法消除）。实验所用的水冷阳极二极管的阴、阳极间距一般控制在毫米左右，在水冷条件下，阳极可以承受不低于的功率耗散。我们观察到：在支取大电流密度的情况下，如果阴阳极间距小于毫米，就会发生阴极中毒且发射明显跌落。在中毒情况下，由双对数曲线测得的拐点发射电流密度值一般只能介于 之间。类似的现象也在带有可移动水冷阳极的超高真空系统中得到了证实。在对阳极进行了约的加热烘烤后，仍不足以对阳极彻底出气。这也是造成阴极发射迅速衰减的主要原因。因此，在真空系统内，在连续波条件下，支取相对较高的电流密度时（取决于阳极的功耗），通常把阴、阳极间距的下限设在毫米。 表阴极二极管内寿试支取数据 序号 二极管编号 （），连续波 寿命（） 注释 跌落 跌落 寿试中 漏气 灯丝失效 跌落 灯丝失效 寿试中 表面分析 图和图分别给出了寿命试验的锇膜阴极和铱膜阴极的双对数曲线发射测试结果。截至年月日累积二极管测试寿命小时 对覆膜阴极的更贴近实际应用的研究是采用标准的电子枪结构。所用为平面阴极，直径毫米，电子枪导流系数设计为 （文献，）。设计之初，期望该电子枪能承受直流 脉冲 以上的发射电流密度。两支锇膜阴极分别装入两支标准电子枪，以期获得直流 以上和脉冲 以 上的发射能力，两支电子枪都进行了直流和脉冲测试。同时，一支浸渍钪酸盐阴极的电子枪也进行了同样的测试以比较覆膜阴极与钪酸盐阴极之间的差异，此外也可间接验证电子枪的装配结构问题。详细测试数据参见表。 表电子枪内阴极寿试参数 电子枪号 阴极类型 工作比 工作温度（，） （） 寿命（） 注释 不加磁铁 并 加磁铁 无跌落 无跌落 无跌落 木阴极发射表面的亮度温度（ 测得） 测试的结果表明：对于覆锇膜阴极而言，获得直流 和脉冲 （脉宽 ，重复频率）的发射电流密度是不困难的。其中，电子枪在连续波支取 的电流密度情况下，寿命超过小时，而阴极实际温度只有。；而电子枪在脉冲支取 的电流密度下，寿命超过小时，阴极温度为。需要指出的是：虽然我们认为标准电子枪结构应比水冷二极管结构能更好地反应阴极的实际性能，但在和两支电子枪中，直流发射电流密度 的预期能力并未达到，即使在强迫提高阳极和收集极电压的情况下。我们把这种情况归结为收集极效应。采用了浸渍钪酸盐阴极的电子枪也反映了类似的结果。可以确定的是，上述三支阴极的工作状态均已处于完全的空间电荷限制区，因为在提高热子灯丝功率的情况下，发射电流只有微小增长。我们还发现存在阳极截获和收集极外壳局部氧化现象，即使在收集极强迫水冷的情况下也不能消除。据此，可以推断收集极的功率耗散不均是造成限制阴极发射能力的主要原因。我们对（已完成直流 的支取，时间超过小时）在收集极的前端加了一对环状的钐钴磁铁，以其使电子注截获更少，聚得更远且在收集极更发散些。用程序得到的电子注仿真如图所示：上面是不加磁铁的情况，下面是加了高斯的情况。从中可以看出，加了磁场后，电子注虽然有交叉，但注的射程明显变远了。这将有助于打到水冷收集极功率的快速耗散，而实际测试结果也验证了我们的猜测。加磁场后，阳极截获电流从降到。最高直流电流密度达到 但在几小时后发射只能稳定在 。相信增加聚焦磁铁会提升阴极的实际发射电流密度，即在直流大电流密度支取情况下，收集极效应（功率耗散等问题）将会严重影响阴极的实际使用性能。 同样针对电子枪，我们还进行了大电流脉冲测试?冢? ，的条件下，阴极温度为 。时获得了 的电流密度（由于电源的原因未能继续测下去）。结果如图所示。可以看出，随电压升高导流系数有点下降。我们认为如果适当提升阴极温度将会有助于改善阴极发射的不均匀性，并稳定导流系数，相信获得 以上的实用电流密度并非难事。四、 应用举例（） 在十二所，制管室对阴极大电流密度的需求主要集中在多注速调管和双模行波管上。其中多注速调管通常要求的电流密度从 ，寿命从几百到数千小时不等（参见表），部分多注阴极组件照片参见图；至于行波管方面的应用，在某实际双模行波管内（未加高频作用），在工作比情况下（脉宽 ），支取 以上电流密度，寿命超过小时，且没有丝毫发射衰减。预期在管内寿命在小时以上。 表十二所生产的多注速调管阴极 发射体数目 单发射体直径（） （） 工作比 寿命（） 注释 西 日 西 聊订 似 】 同 一基波模式工作 一谐波模式工作五、 结论和今后工作、在近距离二极管内，不论锇膜阴极还是铱膜阴极，都有能力在 左右提 供高于 的直流发射电流密度，只要阴、阳极间距选择合适且阳极经 过彻底的除气。、在目前的标准电子枪测试结构中，在 。左右可以稳定地得到 的 直流电流密度，测试结果具备极好的重复性；若要追求更高的发射电流密度， 则现有的电子枪结构必须加以必要的修正。、锇膜阴极已被证实能在 。时支取到 的发射能力，可以预判： 在 稳定支取 的发射电流密度时（窄脉冲和低重复频率下）， 有望获得数千小时的寿命。、多注速调管和双模行波管所需的相对较高发射电流密度，不论锇膜阴极还是 铱膜阴极，都能提供高于的直流电流密度；与浸渍钪酸盐阴极相比， 覆膜阴极更能承受相刘恶劣的环境影响，同时对离子轰击也不那么敏感。、随着阴极发射电流密度的增长，阴极发射的不均匀性将变成影响阴极发射性 能的重要因素。因此，未来我们工作将集中在两个方面：一是在超高真空环 境里采用计算机控制的针孔移动阳极对阴极的发射均运行进行深入研究；一 是继续探索新型的低温、高亮度、高发射均匀性的热电子源。 致谢： 作者感谢国防高功率重点实验室对本项目的支持，感谢三室杨定义教授对试验中相关问题的有益探讨；在此，作者还向十二所廖复疆教授和清华大学应根裕教授的指点和鼓励表示诚挚的谢意！ 参考文献： 李季等报告阴极组件， 年 李季等 年度技术总结报告，年 李季等年度技术总结报告，年 邵文生等多注速调管阴极组件设计，军用阴极电子源研讨会，厦门，年 图标准近距离二极管结构 图标准电子枪测试结构 ， ？ 盎 咿 箍，。 ， 二 ： 睫，气 ；磁