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。

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。