Re摻雜對W絲陰極二次電子發(fā)射的影響

2015-07-23 漆世鍇 中國科學院電子學研究所

  為了提高純W 絲陰極的二次電子發(fā)射系數(shù)(δ) ,在W 粉中摻雜不同比例的Re 粉。將混合好的W-Re 粉制備在W 片表面,經(jīng)高溫燒結(jié)后測量其二次電子發(fā)射系數(shù)。實驗結(jié)果顯示Re 摻雜合金陰極能夠提高純鎢絲陰極的δ。不同摻雜Re的W-Re合金陰極對提高二次電子發(fā)射系數(shù)的能力不同,摻雜5(質(zhì)量比) % Re 的W-Re 合金陰極的二次電子發(fā)射系數(shù)最大,其最大二次電子發(fā)射系數(shù)(δm) 值為1.8,相比于未摻雜的純鎢粉燒結(jié)陰極的δm,能夠提高80%。

  純鎢金屬陰極具有耐高溫、耐電子離子轟擊能力強、工藝簡單及價格低廉等優(yōu)點,在大功率連續(xù)波磁控管中得到廣泛應用,但是由于它熱電子發(fā)射效率低及二次電子發(fā)射小,導致工作溫度過高,所以在大功率連續(xù)波狀態(tài)下工作壽命較短。隨著工業(yè)生產(chǎn)對大功率連續(xù)波磁控管輸出功率和壽命要求的不斷提高,迫切需要研究高可靠長壽命大功率連續(xù)波磁控管陰極。純金屬陰極的壽命取決于陰極的工作溫度,如果能降低陰極的工作溫度就能延長陰極的壽命。降低陰極工作溫度就得提高陰極的一次熱發(fā)射電流密度及二次發(fā)射系數(shù)。在磁控管正常工作過程中,陽極電流中二次電子發(fā)射( SEE) 的電流約占總電流的90%,因此提高陰極的發(fā)射電流密度主要就是要提高陰極的SEE。

  大功率連續(xù)波磁控管在正常工作狀態(tài)下,受到電子離子轟擊劇烈,普通氧化物陰極,鋇鎢陰極的SEE 雖然較高,但是其耐電子、離子轟擊能力差,在大功率連續(xù)波磁控管中很快會失效。國內(nèi)王金淑教授等最先對脈沖磁控管用稀土氧化物陰極的SEE 進行研究,獲得La2 O3-Mo、La2 O3-Y2 O3Mo、La2O3-Y2O3-Gd2O3-Mo 等幾種組合材料的陰極,其最大SEE 系數(shù)( δm) 可達到4.0,相比于氧化物陰極、鋇鎢陰極,具有良好的耐電子轟擊能力,價格低廉等優(yōu)點,這些陰極已在脈沖磁控管中有應用,但是未見在大功率連續(xù)波磁控管中應用的報道。

  國外,俄羅斯的ISTOK 是世界上最早從事磁控管用高溫合金陰極研究的單位之一,他們研發(fā)的Ir-La,Os-Th,Re-Th 合金陰極能夠提供最大的SEE 系數(shù)分別達2.5,2.07,1.95。這些合金陰極已經(jīng)應用于磁控管振蕩器,其中Ir-La 合金陰極可提供10 ~150 A/cm2可選擇性脈沖電流和長達1000 ~10000h 的穩(wěn)定壽命。Os-Th,Re-Th 合金陰極可以提供最高達10 A/cm2脈沖電流和超過10000 h 穩(wěn)定壽命。但是這些合金陰極中Os 是劇毒金屬,Th 具有放射性,而且Ir、Os、Th 金屬價格昂貴,不利于大規(guī)模推廣使用。

  合金陰極具有耐高溫、耐電子離子轟擊的良好特性,使得其在大于15 kW 大功率連續(xù)波磁控管中具有強大應用潛力。實驗中采用價格低廉,對人體沒有危害,耐高溫金屬Re 和W 作為大功率連續(xù)波磁控管用合金陰極的原材料,研究了不同質(zhì)量百分數(shù)Re 摻雜對W 陰極的SEE 特性的影響,這對了解合金陰極的SEE 機理,提高合金陰極SEE 系數(shù)具有重要意義。

  1、實驗

  1.1、W-Re 合金陰極的制備

  W-Re 合金陰極的制備:將Re 粉和平均粒度為1 ~2 μm 的W 粉放置在紅外燈下烘烤0.5 h 左右,去除粉末中吸附的水分。稱取適量W 粉放入瑪瑙缽中,再稱取一定質(zhì)量比例的Re 粉放入瑪瑙缽中,研磨2 h 使得粉末混合均勻。實驗中制備的W-Re混合粉末中Re 具有五種不同的質(zhì)量百分比分別為3%,5%,7 %,10%,25%。將制備好的W-Re 混合粉末與有機粘合劑(3%硝棉溶液) 均勻混合后噴涂在直徑為Φ13 mm,厚度為2 mm 的鎢片表面,然后放置在紅外燈下烘烤30min 左右,揮發(fā)掉硝棉中的有機溶劑,最后將制備好的W-Re 陰極樣品放置在氫爐中燒結(jié),燒結(jié)溫度為1450℃,保溫時間為5 min,降溫后取出燒結(jié)有W-Re層的W 陰極,完成陰極制備。

  1.2、SEE系數(shù)測試

  實驗中所用SEE 系數(shù)測試系統(tǒng)為中國科學院電子學研究所自己研制,如圖1(a) 中所示,系統(tǒng)主要包括電子槍,掃描電源,樣品臺,分析器,鎖相放大器,記錄系統(tǒng)等。圖1(b) 為SEE 系數(shù)測試系統(tǒng)原理圖,圖中K 為陰極電子源,g 和A 構(gòu)成一個電子槍,聚焦的電子束打在被測物質(zhì)做的靶T 上。圖中集電極C 做成圓球形,實驗中如果不要求測初速分布,那么集電極可以做成任何其他形狀。當集電極的電勢比靶高時,它將收集二次電子,這樣就可以測出SEE 系數(shù)。圖中Ip為原初電子流,I = (1- δ) Ip,Is是二次電子流,因此SEE 系數(shù)δ = 1- IIp或δ = IsIp。

  該SEE系數(shù)測試系統(tǒng)采用自動電子發(fā)射測試軟件控制SEE,系統(tǒng)正常工作時原初電子電流為5μA,原初電子能量范圍為0 ~2000 eV,測試時真空度優(yōu)于10 -6 Pa。

二次電子發(fā)射系數(shù)測試系統(tǒng)及其原理圖

圖1 二次電子發(fā)射系數(shù)測試系統(tǒng)及其原理圖

  1.3、W-Re 合金陰極表面微觀結(jié)構(gòu)及成分分析

  實驗中利用北京科技大學材料科學與工程學院的ZEISS EVO18 掃描電子顯微鏡(SEM) 對樣品表面微觀結(jié)構(gòu)進行高清晰成像,利用該SEM 自身攜帶的能譜儀(EDS) 對樣品表層數(shù)個微米深度內(nèi)元素及含量進行分析。利用清華大學分析中心的PHI 700俄歇電子能譜儀(AES) 對樣品表面深度為1 ~3 nm的元素及含量進行分析。

  2、結(jié)論

  制備了不同質(zhì)量百分比Re 的W-Re合金陰極,對含量為5%的W-Re 合金陰極的表面微觀結(jié)構(gòu),表層元素成分及含量,SEE 系數(shù)進行了研究和分析,發(fā)現(xiàn)Re 摻雜鎢合金陰極能夠提高純鎢陰極的SEE 系數(shù),隨著Re 所占W-Re 合金陰極含量的降低,W-Re合金陰極的SEE 系數(shù)在不斷增加,當Re摻雜量為5%時,合金陰極的SEE 系數(shù)最大,其δm值為1.8,相比未摻雜的純鎢粉燒結(jié)陰極的δm,能夠提高80%。當Re 含量下降至3%,合金陰極的δm不僅沒有升高,相反降低至1.1,這說明僅當W-Re 合金陰極中Re 含量為5% 時,W-Re 合金陰極具有最大δm。