Re掺杂对W丝阴极二次电子发射的影响

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

  为了提高纯W 丝阴极的二次电子发射系数(δ) ,在W 粉中掺杂不同比例的Re 粉。将混合好的W-Re 粉制备在W 片表面,经高温烧结后测量其二次电子发射系数。实验结果显示Re 掺杂合金阴极能够提高纯钨丝阴极的δ。不同掺杂Re的W-Re合金阴极对提高二次电子发射系数的能力不同,掺杂5(质量比) % Re 的W-Re 合金阴极的二次电子发射系数最大,其最大二次电子发射系数(δm) 值为1.8,相比于未掺杂的纯钨粉烧结阴极的δm,能够提高80%。

  纯钨金属阴极具有耐高温、耐电子离子轰击能力强、工艺简单及价格低廉等优点,在大功率连续波磁控管中得到广泛应用,但是由于它热电子发射效率低及二次电子发射小,导致工作温度过高,所以在大功率连续波状态下工作寿命较短。随着工业生产对大功率连续波磁控管输出功率和寿命要求的不断提高,迫切需要研究高可靠长寿命大功率连续波磁控管阴极。纯金属阴极的寿命取决于阴极的工作温度,如果能降低阴极的工作温度就能延长阴极的寿命。降低阴极工作温度就得提高阴极的一次热发射电流密度及二次发射系数。在磁控管正常工作过程中,阳极电流中二次电子发射( SEE) 的电流约占总电流的90%,因此提高阴极的发射电流密度主要就是要提高阴极的SEE。

  大功率连续波磁控管在正常工作状态下,受到电子离子轰击剧烈,普通氧化物阴极,钡钨阴极的SEE 虽然较高,但是其耐电子、离子轰击能力差,在大功率连续波磁控管中很快会失效。国内王金淑教授等最先对脉冲磁控管用稀土氧化物阴极的SEE 进行研究,获得La2 O3-Mo、La2 O3-Y2 O3Mo、La2O3-Y2O3-Gd2O3-Mo 等几种组合材料的阴极,其最大SEE 系数( δm) 可达到4.0,相比于氧化物阴极、钡钨阴极,具有良好的耐电子轰击能力,价格低廉等优点,这些阴极已在脉冲磁控管中有应用,但是未见在大功率连续波磁控管中应用的报道。

  国外,俄罗斯的ISTOK 是世界上最早从事磁控管用高温合金阴极研究的单位之一,他们研发的Ir-La,Os-Th,Re-Th 合金阴极能够提供最大的SEE 系数分别达2.5,2.07,1.95。这些合金阴极已经应用于磁控管振荡器,其中Ir-La 合金阴极可提供10 ~150 A/cm2可选择性脉冲电流和长达1000 ~10000h 的稳定寿命。Os-Th,Re-Th 合金阴极可以提供最高达10 A/cm2脉冲电流和超过10000 h 稳定寿命。但是这些合金阴极中Os 是剧毒金属,Th 具有放射性,而且Ir、Os、Th 金属价格昂贵,不利于大规模推广使用。

  合金阴极具有耐高温、耐电子离子轰击的良好特性,使得其在大于15 kW 大功率连续波磁控管中具有强大应用潜力。实验中采用价格低廉,对人体没有危害,耐高温金属Re 和W 作为大功率连续波磁控管用合金阴极的原材料,研究了不同质量百分数Re 掺杂对W 阴极的SEE 特性的影响,这对了解合金阴极的SEE 机理,提高合金阴极SEE 系数具有重要意义。

  1、实验

  1.1、W-Re 合金阴极的制备

  W-Re 合金阴极的制备:将Re 粉和平均粒度为1 ~2 μm 的W 粉放置在红外灯下烘烤0.5 h 左右,去除粉末中吸附的水分。称取适量W 粉放入玛瑙钵中,再称取一定质量比例的Re 粉放入玛瑙钵中,研磨2 h 使得粉末混合均匀。实验中制备的W-Re混合粉末中Re 具有五种不同的质量百分比分别为3%,5%,7 %,10%,25%。将制备好的W-Re 混合粉末与有机粘合剂(3%硝棉溶液) 均匀混合后喷涂在直径为Φ13 mm,厚度为2 mm 的钨片表面,然后放置在红外灯下烘烤30min 左右,挥发掉硝棉中的有机溶剂,最后将制备好的W-Re 阴极样品放置在氢炉中烧结,烧结温度为1450℃,保温时间为5 min,降温后取出烧结有W-Re层的W 阴极,完成阴极制备。

  1.2、SEE系数测试

  实验中所用SEE 系数测试系统为中国科学院电子学研究所自己研制,如图1(a) 中所示,系统主要包括电子枪,扫描电源,样品台,分析器,锁相放大器,记录系统等。图1(b) 为SEE 系数测试系统原理图,图中K 为阴极电子源,g 和A 构成一个电子枪,聚焦的电子束打在被测物质做的靶T 上。图中集电极C 做成圆球形,实验中如果不要求测初速分布,那么集电极可以做成任何其他形状。当集电极的电势比靶高时,它将收集二次电子,这样就可以测出SEE 系数。图中Ip为原初电子流,I = (1- δ) Ip,Is是二次电子流,因此SEE 系数δ = 1- IIp或δ = IsIp。

  该SEE系数测试系统采用自动电子发射测试软件控制SEE,系统正常工作时原初电子电流为5μA,原初电子能量范围为0 ~2000 eV,测试时真空度优于10 -6 Pa。

二次电子发射系数测试系统及其原理图

图1 二次电子发射系数测试系统及其原理图

  1.3、W-Re 合金阴极表面微观结构及成分分析

  实验中利用北京科技大学材料科学与工程学院的ZEISS EVO18 扫描电子显微镜(SEM) 对样品表面微观结构进行高清晰成像,利用该SEM 自身携带的能谱仪(EDS) 对样品表层数个微米深度内元素及含量进行分析。利用清华大学分析中心的PHI 700俄歇电子能谱仪(AES) 对样品表面深度为1 ~3 nm的元素及含量进行分析。

  2、结论

  制备了不同质量百分比Re 的W-Re合金阴极,对含量为5%的W-Re 合金阴极的表面微观结构,表层元素成分及含量,SEE 系数进行了研究和分析,发现Re 掺杂钨合金阴极能够提高纯钨阴极的SEE 系数,随着Re 所占W-Re 合金阴极含量的降低,W-Re合金阴极的SEE 系数在不断增加,当Re掺杂量为5%时,合金阴极的SEE 系数最大,其δm值为1.8,相比未掺杂的纯钨粉烧结阴极的δm,能够提高80%。当Re 含量下降至3%,合金阴极的δm不仅没有升高,相反降低至1.1,这说明仅当W-Re 合金阴极中Re 含量为5% 时,W-Re 合金阴极具有最大δm。

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