一种用于热阴极的高可靠热子

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究 作者:刘燕文

  微波真空电子器件广泛应用于雷达、卫星通信、电子加速器等方面,热子又是微波真空电子器件中最为核心的部件之一,其性能好坏将直接影响微波源的可靠性和寿命。为了克服传统热子制备工艺的缺点,避免螺旋腿部分的钨或钨合金丝出现损伤,提供一种高可靠热子制备方法,采用高温焊料焊接技术将螺旋丝与插腿焊接在一起,从而制备出具有螺旋腿与插腿之间接触电阻小、耐震动性能好、抗热冲击性能好和可靠性高等优点的热阴极用热子。采用新方法制备的热子在1100℃高温下寿命已超过3000 h,没有出现断路现象,目前在各种微波管上使用了新方法制备的热子,没有出现一只断路。

  从20 世纪30 年代到现在,微波电真空器件经历了高速的发展,在国际上已经研制出一系列成熟的微波电真空器件。虽然目前由于通讯等的需要使微波固态电路和微波集成电路发展的很快,但是在大功率微波领域中,微波电真空器件仍然占有主导地位。微波真空电子器件广泛应用于雷达、卫星通信、电子加速器、全球定位、可控热核聚变及未来军事前沿的高功率微波武器等方面,其独特的功能和优越的性能,特别是在大功率和高频段的情况下,是其他器件所不能取代的。历经数十年的发展,虽然常规微波真空电子器件及相关技术的理论已基本成熟,然而现代高技术微波器件对微波信号的功率、频率、带宽等工作特性不断提出新的发展需求。这些需求主要表现在要求更高的频率、更大的功率、更宽的频带、更高的效率和新的工作特性,从而对微波真空电子器件及相关技术的发展提出了新的挑战和发展机遇。而担当电子发射的热阴极及热子又是微波真空电子器件中最为核心的部分,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为热子性能好坏将直接影响微波源的输出性能和寿命,进而影响卫星及高功率微波器件的性能和寿命。因此研究热阴极用高可靠热子,对于推动卫星通信及高功率微波器件等技术的发展具有十分重要的意义。

  1、热子制备

  1.1、传统热子制备

  电真空器件中加热阴极的零件,称为热子。热子材料一般选用钨或钨合金,如钨钼、钨铼、钨铝等。其中有一种复绕热子结构如图1 所示。这种热子制备方法:

  (1) 绕丝:热子所用的丝为钨或钨合金丝,绕丝的芯丝一般为钼丝,利用绕丝机将钨或钨合金丝连续或间断绕在芯丝为钼的丝上。

  (2) 清洗:将绕好的螺旋丝用20% NaOH 水溶液煮沸,用超声波清洗机进行清洗,直至钨丝表面石墨乳洗净为止,然后用自来水冲洗干净,再用蒸馏水煮两遍,经无水乙醇脱水后烘干。

  (3) 退火:将洗好并烘干后的螺旋丝放入氢炉中,升高加热电压到1000℃,维持10 min,断电冷却到室温后取出。

  (4) 成形:将已退火的螺旋丝剪好所需长度,在热子专用模具上绕制成形。

  (5) 定形:热子成形后穿上定形杆,弯好腿,在培养皿中用丙酮浸泡2 h 以上,将丙酮溶液倒出,用电吹风吹干后,将定形杆连同热子摆放在钼舟中,放入氢炉加热电压升到1400℃,维持10 min 后断电冷却到室温后取出。

  (6) 溶芯:将定形好的热子从定形杆上取下来,用混酸(50%HNO3 + 30%H2SO4 + 20%H2O) 溶去钼芯丝。

  (7) 插腿:剪好所需长的钼丝,插腿。钼丝要插到螺旋腿的根部,螺旋腿部分要用钳子加紧,避免钼丝脱落。

  (8) 清洗:将做好的热子用20% NaOH 水溶液煮沸,然后用自来水冲洗干净,再用蒸馏水煮2 遍,经无水乙醇脱水后烘干。

  (9) 去气:将热子放入氢炉中,加热电压升到900℃,维持10 min,断电冷却到室温后取出。

  (10) 检查:用电阻测试仪测热子的冷阻,看是否符合要求,若不符合则废弃。

  这种传统热子的制备方法有一个缺点:在第7步中钼丝要插到螺旋腿的根部,螺旋腿部分要用钳子加紧,避免钼丝脱落。螺旋腿部分用钳子加紧的过程中会造成螺旋腿部分的钨或钨合金丝粉碎( 废品占50% ~70%) 或出现损伤( 合格品占30% ~50%) 。图2 给出了这种传统热子制备方法制备的合格热子的螺旋腿与插腿的扫描电镜(SEM) 照片。

一种用于热阴极的高可靠热子

图1 热子结构图

一种用于热阴极的高可靠热子

图2 传统热子制备方法制备的螺旋丝与插腿的SEM 照片

  从图2 可以看到传统热子制备方法制备的合格热子有裂纹的热子螺旋腿,这样就会造成热子螺旋腿和插腿之间具有接触电阻大、耐震动性能差、抗热冲击性能差和可靠性低等缺点。另外这种热子在电泳后和使用一段时间后,钼插腿与螺旋腿之间会出现绝缘造成废品( 约占20%左右) 。

  3、结论

  为了克服传统热子制备工艺的缺点,避免螺旋腿部分的钨或钨合金丝出现损伤,提供一种高可靠热子制备方法,本文采用高温焊料焊接技术将螺旋丝与插腿焊接在一起,从而制备出具有螺旋腿与插腿之间接触电阻小、耐震动性能好、抗热冲击性能好和可靠性高等优点的热阴极用热子。采用新方法制备的热子电阻比传统方法制备的热子电阻小7%,并且采用焊接技术制备的热子电阻值的一致性大大好于传统方法制备的热子。新型热子在1100℃ 高温下寿命已超过3000 h 没有出现断路现象。目前已在各种微波管上使用了新方法制备的热子,没有出现一只断路。

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