覆Os膜M型阴极高发射性能随真空度变化的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)高功率微波源与技术重点实验 作者:阴生毅

  在覆Os 膜M 型阴极工作于75 A/ cm2 高电流密度的情况下, 逐级降低真空系统的真空度, 测出了阴极电流密度随真空度变化的关系曲线。分析表明, 当系统真空度为1.0 × 10- 5 Pa 时, 阴极发射开始出现明显下降, 下降幅度达1.96%; 当真空度为2.07× 10- 4 Pa 时, 阴极电流密度降低10%, 阴极寿命接近终了。进一步研究认为, 对于微波管而言, 通过渗漏进入微波管内的大气特别是其中的氧分子, 将阴极表面的Ba+ (a) 转变为Ba2+ , 使得阴极表面的发射单元逐步丧失电子发射能力; 与此同时, 真空度降低带来的离子轰击使得离子斑区域的覆膜层消失, 导致该区域功函数升高。两种因素的共同作用, 使得微波管中阴极的发射性能逐步下降。

  小型多注速调管是飞行器制导使用的一种高性能微波管。该管正常工作时, 阴极峰值电流高达1458~ 1550 mA, 对应电流密度为73~ 78 A/ cm2。使用中发现, 少量管子在存放一段时间后, 阴极发射性能出现明显下降, 且很难恢复。判断认为, 大部分失效管发生了大气微渗漏现象。

  用户及阴极研究人员迫切想知道, 这种高电流密度阴极在什么真空度下开始明显失效, 又在何种真空度下寿命终了, 其失效的机理如何? 但是, 真空技术网(http://www.chvacuum.com/)检索发现, 国际上关于高电流密度阴极发生大气渗漏中毒的相关报道极少。

  鉴于上述情况, 本文开展了相关模拟研究。模拟研究包括, 解剖小型多注速调管以获得多注阴极的尺寸及表面成分, 制备同等发射面积的单注模拟阴极, 对模拟阴极进行不同真空度下的发射测试, 获得发射-真空度关系曲线, 开展阴极中毒机理分析。

  实验主要包括以下几部分:解剖小型多注速调管取出多注阴极。手工拆解多注速调管, 拆解中, 禁止阴极接触含水和油污的介质以及任何金属颗粒, 拆解出两个多注阴极热子组件。

  拆出多注阴极热子组件后, 一个用于阴极分析,以确定阴极尺寸、阴极内部结构及表面覆膜层成分;另一个装入真空系统测量阴极的工作温度。在分析基础上, 制备模拟阴极。所制备的模拟阴极在内部结构和表面成分上与多注阴极近似, 在发射面积上, 与多注阴极总的发射面积相等, 且模拟阴极的发射性能达到与多注阴极相当的水平。接下来, 利用高真空水冷二极管阴极动态测试系统 , 对模拟阴极进行发射性能随真空度变化的研究。为精确测量和控制大气进入系统后带来的真空度变化, 配置了高精度真空计及小流量高精度流量计。测试电源选用0.3% 的工作比( 脉宽30 us, 重复频率1000Hz) 。

  发射测试步骤为: 1、在高真空下, 对阴极进行激活并对阳极除气; 2、阴极停止加热, 5 min 后设置并调节系统真空度; 3、真空度稳定后, 2 min 内将阴极加热至工作温度; 4、调整阴极-阳极距离及阴-阳极电压, 使起始电流达到1468~ 1550 mA; 5、测完该点后, 从2开始重复后面的步骤, 直至阴极发射降10% 以上。

  试验采用的主要设备及仪器包括, VEGA TESCAN扫描电镜(SEM) 、阴极专用磁控溅射覆膜台、脉冲发射测试电源、Televac 公司的CC- 10 真空计和Alicat 公司的1ml/ min(标准状态) 的高精度流量计等。

  为了解小型多注速调管阴极在高发射状态下的大气中毒过程及中毒机理, 制备了直径直径1.6 mm 的单注覆膜阴极, 以模拟18 注多注阴极( 每注阴极直径为直径0.37 mm) 。测试表明, 制备的单注阴极的发射性能完全满足多注阴极高发射的要求。采用利用水冷二极管发射装置, 完成了模拟阴极电流随真空度变化的研究工作。测试表明, 当系统真空度为1.0 × 10-5 Pa 时, 阴极发射开始出现明显下降, 下降幅度达1.96% ; 当系统真空度为2.07× 10-4 Pa 时, 阴极电流密度降低10%, 阴极寿命接近终了。研究认为, 当真空度微幅下降, 且气压低于8.3× 10-6 Pa 时, 阴极表面的Os 膜因具有易氧化和快速蒸发的特性, 对少量的外来氧表出了较强的自洁净能力。在这一阶段, 真空度虽然降低, 但阴极在表面仍保留足够数量的、高发射所需的O-(a) 和Ba+ (a) , 使得阴极发射维持不变。阴极这一阶段的良好表现, 恰好反映出了覆Os 膜阴极具有良好的抗中毒能力。

  当真空度大幅下降时, 阴极表面维持发射所需的平衡逐步被破坏。此时外界侵入微波管内的大气对阴极表面带来不利影响。作用的结果, 一是使得一部分外来氧吸附在阴极表面, 对阴极表面原有的O- (a) 的含量形成稀释; 二是夺走Ba+ (a) 的自由电子, 使其变为Ba2+ (a) 。两种元素综合作用阴极电子发射能力显著下降。在真实微波管中, 因真空度下降带来的离子轰击, 会在阴极表面形成离子斑。离子斑区域因覆膜层消失, 功函数大幅升高, 其电子发射能力急剧降低。

  真空度降低引起的氧化及离子轰击作用, 使得微波管中阴极的发射性能逐步下降。

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