M型阴极寿命特性分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:于志强

  空间行波管因为其高可靠、高效率、长寿命特性,一直是空间微波功率放大器的首选器件。阴极是其唯一的寿命限制因素,也是可靠性的重要影响因素。本文分析了覆膜阴极的工作机理,并结合寿命实验结果对覆膜阴极的寿命特性进行分析,认为覆膜阴极虽然在寿命过程中,其活性发生持续改变;但工作电流保持稳定不变,只有在寿命末期才会发生明显改变。阴极在寿命过程中,功函数将因为合金化程度、钡的供应、工作温度以及真空气氛的影响发生持续改变。这些因素可通过工艺或设计进行优化,进而获得理想的阴极寿命。

  空间行波管被称为“真空电子器件最后的前沿”。自1962年首次应用以来,一直以高可靠性和高的功率重量比而成为卫星通信系统的首选器件。对于空间应用的器件,其效率、可靠性和寿命成为最重要的技术指标,而这三项指标恰好都与阴极电子源密切相关。阴极的电子发射效率是整管整体效率的重要组成部分,阴极的可靠性和寿命是整管可靠性和寿命的主要限制因素之一。M 型阴极作为空间行波管的首选电子源,因为在普通钡钨阴极表面覆膜而使电子发射能力魔术性(Magic)提升而得名;自从其发明以来,逐渐成为各类大功率真空电子器件的首选,整管也就对M 型阴极提出了更高要求,迫切需要深刻理解其工作机理,明确其寿命演化规律。世界各国都针对M 型阴极开展了深入研究,在此我国航天技术快速发展的时刻,作为专业的阴极研究者有必要对M 型阴极的工作机理和寿命演化情况进行深入研究。

  阴极发射机理

  阴极的发射能力、可靠性以及寿命都与阴极的工作机理密切相关,因此,我们首先讨论M 型阴极的工作机理。M 型钡钨阴极是当前真空电子器件使用最为频繁的电子源,虽然经过几代阴极工作者的不懈努力,但是其发射机理依然存在很多不明确的地方,但是我们相信,我们正在逐渐接近目标。电子从固体中进入真空中,需要克服固体表面势垒,这层势垒的存在确保固体以稳定形态存在。要克服势垒就需要电子具有足够的能量,这个势垒被称为逸出功,也被称为功函数。M 型钡钨扩散阴极的基本组成结构包括作为框架的钨海绵、发射活性物质三元铝酸盐以及表面的贵金属膜层。常用M 型阴极的孔度一般为25±2%,活性物质为612摩尔比的铝酸盐,表面的膜层一般为单元贵金属,或多元贵金属,可能为铱,锇或锇铱铝合金等。作为框架的钨海绵,既是储存活性物质的载体,也作为还原剂生成活性物质而参与电子发射。在高温情况(高于800℃)钨将与铝酸盐生成活性物质-钡(Ba),生成钡将通过迁移,在阴极表面形成钡覆盖层,该覆盖层就是电子发射的基石。采用铝酸盐的优点是钨与铝酸盐的反应速度较“温和”,在工作过程中能保持稳定的钡生成速率,从而输送到阴极表面,当然,阴极表面的钡也具有与温度密切相关的蒸发率,当生成速率与蒸发速率相平衡时,阴极表面就能维持比较稳定的钡覆盖率,从而获得比较稳定的电子发射。可见钡的覆盖度与阴极电子发射能力密切相关。不同种类阴极的表面Ba覆盖度具有很大的差别。普通钡钨阴极表面Ba覆盖度最低,而覆膜阴极表面Ba的覆盖度就要高很多,相应的电子发射能力也更高。正是因为膜层降低逸出功约0.2eV,极大提高了阴极发射能力。具体是如何降低逸出功,需要首先了解一下钡钨扩散阴极的工作机理。

  结果与讨论

  从图2 寿命实验结果中可以看到,不管是1000℃,还是1020℃,或者不同的电流密度,阴极的工作电流都没有发生明显改变,虽然测试的工作电流数据有跳动,但是其趋势没有明显的下降,基本保持稳定。如果根据此趋势预测阴极命,则只能得到阴极寿命无限的结论。但是根据图3寿命过程中测试的功函数变化趋势,却可以发现,经过了初期(约104 h)的功函数降低,活性改善后,功函数将表现出逐渐上升的趋势,即最大发射电流密度逐渐降低。根据目前的变化趋势,阴极工作在1000℃时,最大发射电流密度将在29.5×104 h降低到1A/cm2;而阴极工作在约1020℃时,阴极的最大发射电流密度将在11.5×104 h后降低到2A/cm2。根据阴极发射性能变化趋势图,可以发现阴极变化趋势与温度密切相关,这一定程度上与金属锇以及钡的扩散速率有密切关系,从更深层次上说,正是锇和钡的扩散速率决定了阴极的性能演化;钡的覆盖度是阴极发射性能的决定性因素,但是决定钡覆盖度的因素有多个,包括表面合金化的程度,活性钡的供应,真空气氛,温度等。合金化程度影响钡与表面的吸附力的大小,温度决定钡的迁移速度和蒸发速率,气氛影响钡的消耗。这几个因素共同决定了阴极性能在寿命过程中的演化。这与前文所讨论的阴极发射机理非常一致。

  结论

  阴极作为唯一的消耗性部件,是真空电子器件寿命的唯一限制因素。在当前固态器件与真空器件竞争激烈的状况下,真空电子器件要维持优势,必须在工作机理、工艺技术方面持续提高。通过世界各个研究实体广泛而深入的研究,M 型阴极工作机理正在逐渐清晰,其寿命表也更加明朗。但是各研究实体生产阴极的孔度、膜层情况、活性物质的种类各有不同,阴极的性能和寿命特性就各有不同。阴极寿命实验表明,阴极预测寿命完全可满足整管的需求,寿命过程中阴极的性能演化特性与相关文献描述基本一致。阴极寿命演化特性表明,阴极的工作温度,膜层的厚度,环境气氛等都是寿命的决定性因素。因此,在空间行波管应用中,各方面必须精细考虑,多方兼顾。

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