在覆Os 膜M 型陰極工作于75 A/ cm² 高電流密度的情況下, 逐級(jí)降低真空系統(tǒng)的真空度, 測出了陰極電流密度隨真空度變化的關(guān)系曲線。分析表明, 當(dāng)系統(tǒng)真空度為1.0 × 10^{- 5} Pa 時(shí), 陰極發(fā)射開始出現(xiàn)明顯下降, 下降幅度達(dá)1.96%; 當(dāng)真空度為2.07× 10^{- 4} Pa 時(shí), 陰極電流密度降低10%, 陰極壽命接近終了。進(jìn)一步研究認(rèn)為, 對于微波管而言, 通過滲漏進(jìn)入微波管內(nèi)的大氣特別是其中的氧分子, 將陰極表面的Ba⁺ (a) 轉(zhuǎn)變?yōu)锽a²⁺ , 使得陰極表面的發(fā)射單元逐步喪失電子發(fā)射能力; 與此同時(shí), 真空度降低帶來的離子轟擊使得離子斑區(qū)域的覆膜層消失, 導(dǎo)致該區(qū)域功函數(shù)升高。兩種因素的共同作用, 使得微波管中陰極的發(fā)射性能逐步下降。

　　小型多注速調(diào)管是飛行器制導(dǎo)使用的一種高性能微波管。該管正常工作時(shí), 陰極峰值電流高達(dá)1458~ 1550 mA, 對應(yīng)電流密度為73~ 78 A/ cm²。使用中發(fā)現(xiàn), 少量管子在存放一段時(shí)間后, 陰極發(fā)射性能出現(xiàn)明顯下降, 且很難恢復(fù)。判斷認(rèn)為, 大部分失效管發(fā)生了大氣微滲漏現(xiàn)象。

　　用戶及陰極研究人員迫切想知道, 這種高電流密度陰極在什么真空度下開始明顯失效, 又在何種真空度下壽命終了, 其失效的機(jī)理如何? 但是, 真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)檢索發(fā)現(xiàn), 國際上關(guān)于高電流密度陰極發(fā)生大氣滲漏中毒的相關(guān)報(bào)道極少。

　　鑒于上述情況, 本文開展了相關(guān)模擬研究。模擬研究包括, 解剖小型多注速調(diào)管以獲得多注陰極的尺寸及表面成分, 制備同等發(fā)射面積的單注模擬陰極, 對模擬陰極進(jìn)行不同真空度下的發(fā)射測試, 獲得發(fā)射-真空度關(guān)系曲線, 開展陰極中毒機(jī)理分析。

　　實(shí)驗(yàn)主要包括以下幾部分:解剖小型多注速調(diào)管取出多注陰極。手工拆解多注速調(diào)管, 拆解中, 禁止陰極接觸含水和油污的介質(zhì)以及任何金屬顆粒, 拆解出兩個(gè)多注陰極熱子組件。

　　拆出多注陰極熱子組件后, 一個(gè)用于陰極分析,以確定陰極尺寸、陰極內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面覆膜層成分;另一個(gè)裝入真空系統(tǒng)測量陰極的工作溫度。在分析基礎(chǔ)上, 制備模擬陰極。所制備的模擬陰極在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面成分上與多注陰極近似, 在發(fā)射面積上, 與多注陰極總的發(fā)射面積相等, 且模擬陰極的發(fā)射性能達(dá)到與多注陰極相當(dāng)?shù)乃�平。接下�? 利用高真空水冷二極管陰極動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng) , 對模擬陰極進(jìn)行發(fā)射性能隨真空度變化的研究。為精確測量和控制大氣進(jìn)入系統(tǒng)后帶來的真空度變化, 配置了高精度真空計(jì)及小流量高精度流量計(jì)。測試電源選用0.3% 的工作比( 脈寬30 us, 重復(fù)頻率1000Hz) 。

　　發(fā)射測試步驟為: 1、在高真空下, 對陰極進(jìn)行激活并對陽極除氣; 2、陰極停止加熱, 5 min 后設(shè)置并調(diào)節(jié)系統(tǒng)真空度; 3、真空度穩(wěn)定后, 2 min 內(nèi)將陰極加熱至工作溫度; 4、調(diào)整陰極-陽極距離及陰-陽極電壓, 使起始電流達(dá)到1468~ 1550 mA; 5、測完該點(diǎn)后, 從2開始重復(fù)后面的步驟, 直至陰極發(fā)射降10% 以上。

　　試驗(yàn)采用的主要設(shè)備及儀器包括, VEGA TESCAN掃描電鏡(SEM) 、陰極專用磁控濺射覆膜臺(tái)、脈沖發(fā)射測試電源、Televac 公司的CC- 10 真空計(jì)和Alicat 公司的1ml/ min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)) 的高精度流量計(jì)等。

　　為了解小型多注速調(diào)管陰極在高發(fā)射狀態(tài)下的大氣中毒過程及中毒機(jī)理, 制備了直徑直徑1.6 mm 的單注覆膜陰極, 以模擬18 注多注陰極( 每注陰極直徑為直徑0.37 mm) 。測試表明, 制備的單注陰極的發(fā)射性能完全滿足多注陰極高發(fā)射的要求。采用利用水冷二極管發(fā)射裝置, 完成了模擬陰極電流隨真空度變化的研究工作。測試表明, 當(dāng)系統(tǒng)真空度為1.0 × 10^-5 Pa 時(shí), 陰極發(fā)射開始出現(xiàn)明顯下降, 下降幅度達(dá)1.96% ; 當(dāng)系統(tǒng)真空度為2.07× 10^-4 Pa 時(shí), 陰極電流密度降低10%, 陰極壽命接近終了。研究認(rèn)為, 當(dāng)真空度微幅下降, 且氣壓低于8.3× 10^-6 Pa 時(shí), 陰極表面的Os 膜因具有易氧化和快速蒸發(fā)的特性, 對少量的外來氧表出了較強(qiáng)的自潔凈能力。在這一階段, 真空度雖然降低, 但陰極在表面仍保留足夠數(shù)量的、高發(fā)射所需的O^-(a) 和Ba⁺ (a) , 使得陰極發(fā)射維持不變。陰極這一階段的良好表現(xiàn), 恰好反映出了覆Os 膜陰極具有良好的抗中毒能力。

　　當(dāng)真空度大幅下降時(shí), 陰極表面維持發(fā)射所需的平衡逐步被破壞。此時(shí)外界侵入微波管內(nèi)的大氣對陰極表面帶來不利影響。作用的結(jié)果, 一是使得一部分外來氧吸附在陰極表面, 對陰極表面原有的O^- (a) 的含量形成稀釋; 二是奪走Ba⁺ (a) 的自由電子, 使其變?yōu)锽a2⁺ (a) 。兩種元素綜合作用陰極電子發(fā)射能力顯著下降。在真實(shí)微波管中, 因真空度下降帶來的離子轟擊, 會(huì)在陰極表面形成離子斑。離子斑區(qū)域因覆膜層消失, 功函數(shù)大幅升高, 其電子發(fā)射能力急劇降低。

　　真空度降低引起的氧化及離子轟擊作用, 使得微波管中陰極的發(fā)射性能逐步下降。