真空器件中电极表面微结构对其二次电子发射性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京工业大学材料学院 作者:黄艳峰

  本文在概述金属材料二次电子发射性能和用于行波管多级降压收集极的低二次电子发射系数电极材料研究的基础上,对电极材料表面尖锥阵列微结构层对二次电子发射性能的影响进行了有限元计算分析,进而提出了具有三维网络结构的电极表面微结构层概念,为构建新型超低二次电子发射系数电极材料提出了思路。

  在电真空器件中,电极表面或腔体内壁受电子轰击时引起二次电子的发射会直接影响着器件的性能。因此,电极材料必须根据器件性能要求进行合理选择,或增强、或抑制二次电子的发射,从而达到器件性能的优化。行波管是一种广泛应用于雷达、通信、导航、探测、以及空间电子技术领域中的重要微波功率器件。为提高行波管整管效率,不仅需要有高效率的高频电子注互作用系统和高性能的电子光学系统,同时还要求具备高效率和高性能的失能电子收集系统。多级降压收集极(Multistage Depressed Collectors,MDS)是在国内外行波管中普遍采用的高效失能电子收集部件,通过减速电场的合理设计使失能电子的剩余能量返还给电源,实现在收集电极上的软着陆,从而提高行波管的整管效率。但是,完全实现这种理想状态是十分困难的,飞向电极表面的电子总可以通过与电极的碰撞产生一定量速度矢量背向电极表面的二次电子和背散射电子。这些电子在减速电场的作用下可能造成严重的返流,增加高频热耗散功率并形成噪声,使行波管技术性能恶化。所以,为了实现MDC对失能电子的有效收集、有效抑制MDC电极二次电子发射,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对避免二次电子返流造成的行波管性能恶化是至关重要的。

  本文对金属材料二次电子发射性能和用于行波管收集极的低二次电子发射系数电极材料研究进行了综述,并着重对电极材料表面尖锥阵列微结构层对二次电子发射性能的影响进行了细致的有限元计算分析,进而提出了具有三维网络结构的电极表面微结构层概念,为构建新型超低二次电子发射系数电极材料提出了思路。

1、材料本征二次电子发射性质

  早期的许多研究表明,金属的本征二次电子发射行为决定于材料的化学组成、晶格结构和电子能带结构,并随一次电子能量的变化而变化。用于描述二次电子发射性质的参数是二次电子发射系数,定义为平均每个一次电子诱发的二次电子数。由于进入电极材料的一次电子在晶格中的穿透与二次电子在晶格内的产生及其逃逸出电极表面等过程的相互影响,金属材料的二次电子发射系数往往会在某一入射电子能量时出现最大值δm,其数值大小变化于1左右。金属Li具有最小的δm(0.5),而Pt具有最大的δm(1.8)。图1所示为不同原子序数元素金属相对Au的二次电子发射系数。可以看出,金属Mo和Ti具有较低的二次电子发射系数,δm分别为0.43和0.35。相比之下,Cu的二次电子发射系数则要大得多("m =1.3)。尽管如此,由于优异的导电、导热、易加工、易封接等特性,无氧铜材料仍大量使用于包括行波管在内的各种真空电子器件中。

不同原子序数金属相对Au的二次电子发射系数

图1 不同原子序数金属相对Au的二次电子发射系数

  但是,随着空间行波管对性能和整管效率提出的新要求,获得具有更低二次电子发射系数的材料用作MDC中的电极一直是人们所希望的。上世纪80年代末,人们研究了商品金属钛以及相关合金材料的二次电子发射特性。结果表明,未经表面处理的金属钛二次电子发射系数δm并不比无氧铜的来得低,主要是因为其活泼的化学性质使电极表面极易氧化和吸附各种气体分子,而经氮化处理或与Zr和V 形成合金后,其二次电子发射系数则可得到20%~50%的降低。美国NASA 的Lewis研究中心P.Ramins等曾用金属钛制作MDC中的电极并直接测试行波管的整管效率的变化情况,发现与相同结构和尺寸的无氧铜电极相比,钛电极的使用可使行波管整管效率提高约2%,但远低于利用各向同性石墨材料加工的电极对整管效率的提高(约5%)。由于各向同性石墨纯度高、价格低、加工简单以及低的二次电子发射系数,曾被认为是小尺寸高性能行波管MDC的潜在使用材料。

  碳是一种具有结构多样性的导电材料。由于无定形的炭黑具有极低的二次电子发射系数,人们将炭黑沉积在无氧铜电极表面,其MDC使行波管整管效率得到大幅度提高。但是,由于炭黑沉积层与无氧铜衬底难以实现很好的结合,这对MDC和行波管的可靠性与性能稳定性是非常不利的。具有织构化的各向异性石墨,如通过气相沉积得到的热解石墨层,其石墨颗粒结晶学c-轴相互平行,使材料宏观上具有显著的结构和性能各向异性。P.Ramins等的研究结果表明,用热解石墨制作MDC电极并使其c-轴尽可能垂直于电极表面时,测得MDC失能电子收集效率和行波管整管效率均仅次于沉积炭黑电极(以无氧铜为衬底),而远高于无氧铜电极。

  显然,这种热解石墨电极低的二次电子发射系数与石墨在其a-b面内具有的高导电性密切相关。应该指出,近年来,随着石墨烯材料研究的深入,人们测得在硅衬底上的单层石墨烯具有比所有材料都低的二次电子发射系数,其δm约为0.1。

4、结束语

  随着高性能真空电子器件的发展,超低二次电子发射系数电极材料将会因技术需求而受到人们的重视。由于金属材料本征二次电子发射特性在选择上的局限性,在电极表面形成特定结构的微结构层,通过有效调控一次电子和二次电子与微结构的相互作用以提高二次电子的限域几率,必将成为实现电极材料二次电子发射系数超低化的有效途径之一。

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