真空度对阴极材料微结构影响的电子显微分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室 作者:张德政

  针对阴极失效影响因素中的真空度问题,利用扫描电子显微镜以及能谱仪作为研究手段,分析对比了未老炼以及在不同真空条件下老炼的阴极的微观结构以及成分差异,结果表明,真空度降低,阴极中发射物质将与空气中的水汽以及氧反应,导致微观结构发生变化,这对于行波管的封装可靠性提出了较高要求。

  行波管广泛地应用于雷达、导航和通信等国防工程领域。阴极是行波管的心脏,其性能的好坏对行波管的稳定可靠性工作有着重要的影响,而在阴极的失效影响因素中,真空度是一个重要的影响因素。目前的文献报道主要是从宏观角度来分析行波管的可靠性,建立失效模型或者是从阴极材料本身来研究其发射性能,如真空技术网前文就对行波管的可靠性进行了探讨,对真空残气对阴极的发射性能进行了研究。本工作从微观角度对真空度的影响的机理进行探讨,可以做为从宏观上提高阴极性能以及行波管可靠性的指导。

1、实验

1.1、试剂及仪器

  试剂:钨粉,添加Sc2O3 质量比为5%的铝酸盐

  分析仪器:日本电子JOEL- 6490LV 扫描电子显微镜;美国EDAX GENESIS2000XMS 型X 射线能谱仪(EDS)。

1.2、样品制备

  首先把制备好的钨粉压制烧结成钨海绵体(即钨胚),再进行机械加工,使钨海绵体符合阴极的形状尺寸要求。然后筛选孔隙度在20%~25%的海绵体。高温下,在氢气炉中将添加Sc2O3 质量比为5%的铝酸盐(摩尔比为BaO:CaO:Al2O3 =4∶1∶1) 浸渍入海绵体的孔隙内即成。浸渍好的阴极需要在优于5×10- 5 Pa 的高真空下进行热激活。将阴极温度升高到1200℃, 老炼10 min。将新制成未老炼的阴极编号为A,经过老炼后装管测试。将装入气压为10- 4~10- 5 Pa 下测试的阴极编号为B,将装入气压为10- 2~10- 3 Pa下测试的阴极编号为C。

2、微观分析

  将上述工艺过程制备的钡钨阴极进行筛选,将未老炼的阴极A 进行SEM 观察,如图1 所示。老炼后的阴极经过装管,在不同气压条件下进行阴极发射性能测试。测试结果表明B 样品的发射性能优于C,且C 的发射电流逐渐降低。测试完成后,开管对阴极表面的微观结构进行SEM 观察。并对测试过的阴极B 和阴极C 不同区域进行EDS 分析,能谱仪工作电压为20 kV,工作距离保持在10 mm。SEM 及EDS的结果如图2、3 以及图4 所示。分析各不同区域的成分如表1 所示。

样品A 的表面SEM 图样品B 和C 的表面SEM 图

图1 样品A 的表面SEM 图 图2 样品B 和C 的表面SEM 图

样品B 的能谱图样品C 的EDS 图谱

图3 样品B 的能谱图 图4 样品C 的EDS 图谱

表1 阴极不同区域EDS 成分分析结果

阴极不同区域EDS 成分分析结果

  从图1 中可以看出,老炼前样品A 的表面有明显的车削痕迹,表面平整、孔洞分布均匀,阴极表面无发射物质露出;老炼后装管测试的两个阴极表面存在很大的微观差异。从图B 的SEM 图可以看出,装入高真空中的阴极经过测试后,阴极的表面依然平整;钨颗粒表面有很多细颗粒,对其成分分析的结果表明主要是钨及其氧化物;海绵体的孔隙处有稍大的颗粒物存在,成分分析结果表明主要为含钪的铝酸盐发射物质。样品C的SEM 结果表明,装入低真空中的阴极,样品表面极不平整,有大量近似圆形颗粒状物质,且聚集在钨基海绵体的孔洞边缘,钨基体表面也存在大量颗粒物。对阴极表面不同区域进一步的能谱分析表明,孔洞边缘处的圆形颗粒状物质成分中引入一定量的碳,且与样品B 相比Sc 的含量显著降低;钨基体颗粒表面除了不含有Sc 外,发射物质的其他成分都存在,表明Sc 的蒸发比较严重,并有一定量发射物质从海绵体内部扩散到钨颗粒表面。

3、结果与讨论

  通过对比分析未老炼以及在不同真空条件下老炼的阴极的微观结构以及成分差异,并结合它们发射性能,表明真空对阴极的性能有重要的影响。之所以会产生如此的差异,具体分析如下:

  将阴极制备好以后,需要对其进行激活,在阴极激活以后,阴极就具有发射电子的本领。在阴极激活过程中,阴极内部发生的物理化学过程目前还尚未完全搞清楚。目前认为,在高温下,一部分铝酸盐热分解:

Ba3Al2O6→2BaO+BaAl2O4(热分解)

  钨海绵体不仅作为储存发射物质的仓库,而且还是钡钨阴极的激活剂。钨与氧化钡或者铝酸盐都可产生反应:

6BaO+W→Ba3WO6+3Ba
2Ba3Al2O6+W→Ba3WO4+ 2BaAl2O4 +3Ba
W+ 3Ba3Al2O6 +6CaO→3Ba3CaAl2O6+Ca3WO6+3Ba

  以上反应都有自由钡产生。实践证明,自由钡是激活阴极必不可少的条件,只有足够的自由钡产生并扩散到阴极表层去,阴极才具有良好的发射性能。而当行波管密封性不好,真空度不足,有水汽进入时,工作于1000 多度高温条件下的钨海绵体内的氧化物就会与水汽发生如下的化学反应:


Al2O3+H2OAl(OH)3
CaO + H2OCa(OH)2
BaO + H2OBa(OH)2

  阴极发射物质与水生成氢氧化物体积膨胀,从而溢出钨海绵体的孔洞,聚集在孔洞的边缘,在高温下,氢氧化物又会在孔洞口处发生分解,生成氧化物,聚集在海绵体孔洞的边缘。在成分分析结果中C 元素的引入,说明空气中的CO2 参与反应,生成碳酸盐聚集在孔洞周围。以上的化学反应均会过量的消耗海绵体内的发射物质,缩短阴极的使用寿命。而空气中的氧对阴极也具有很强的去激活作用,易引起氧中毒,对阴极的电流发射及其不利。

  以上的分析表明,行波管内的真空度下降,发射物质与空气中的成分发生化学反应,直接导致阴极表面的显微结构发生变化,影响阴极的发射性能和使用寿命。阴极表面的微观结构会随着工作气氛的改变而发生变化,这对行波管封装可靠性提出了较高的要求。

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