石墨—钨—金刚石复合阴极的制备及其电子发射性能的研究

发布时间：2020-06-20 08:25

【摘要】：高功率微波源相对论返波管现用的石墨阴极存在发射电流低、材料放气等问题,为满足高功率微波系统对电子束质量的要求,通过微波等离子体化学气相沉积(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition,MPCVD)法,在异形石墨阴极表面涂覆氮掺杂超纳米金刚石薄膜(Ultra-nano Crystalline Diamond,UNCD),对原始石墨阴极进行改性处理。首先,在平面硅基体上探索以液态二乙胺和氢气作为反应气源,探索各生长因素对制备的薄膜的微观形貌和成分的影响规律,并分析了其电学性能和电子发射性能。然后将平面基底制备工艺参考运用到异形石墨阴极,并将反应气源更换为三乙胺和甲醇的混合溶液和氩气,在预先涂覆一层钨过渡石墨阴极表面制备掺氮UNCD薄膜,形成石墨-钨-金刚石复合阴极,最后系统分析改性石墨阴极的强流脉冲发射性能。研究结果表明:(1)在平面硅基体制备掺氮UNCD薄膜时,液态源通入量、薄膜沉积压力及生长温度均会使薄膜的微观形貌和成分发生变化,其中生长温度是影响薄膜的微观形貌和组成的主要因素。(2)采用FESEM、Raman、XRD对不同生长温度下制备的薄膜进行了系统的表征,并采用常温霍尔效应测试和直流场发射测试分析其电学性能和电子发射性能。随着生长温度的增加,薄膜的微观形貌从极细小的颗粒状向垂直于基底的石墨烯片与金刚石颗粒复合体转变,同时薄膜晶界处不利于导电的TPA相及无定形碳随着基体生长温度的增加转变成导电性能较好的sp~(2-)C相,相应地薄膜的电导率从17Ω~(-1)·cm~(-1)增加至760Ω~(-1)·cm~(-1)。直流场发射测试结果发现,当基体生长温度从730℃升高至830℃时,在9.9 V/μm的电场强度下,电流密度由0.2 mA/3潂2增大至1.6 mA/3潂2。(3)通过在石墨阴极表面预沉积钨过渡层,再在不同沉积时间、微波功率、生长温度条件下制备了掺氮超纳米金刚石涂层的石墨-钨-金刚石复合阴极,与原始石墨阴极的强流脉冲电子发射性能对照测试结果表明:优化工艺条件下获得的复合阴极的电子发射性能和放气性都得到了明显的改善;同时,复合阴极的强流脉冲性能随工艺条件不同发生改变,生长功率为1800 W,基体温度在790℃,生长时间为2 h的改性石墨阴极的强流脉冲性能最佳,其束流密度为29.06 kA/cm~2,较原始石墨阴极提升了25%,放气率最大可以降低62.5%。通过在石墨阴极表面涂覆掺氮UNCD薄膜有效提升了现用的石墨阴极发射电流并改善了石墨阴极的放气性,为高功率相对论返波管寻找新的阴极材料提供了新的研究思路。
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;O646.541
【图文】：

相图,原子氢,碳氢化合物,混合气

1-1（a）H2和 CH4混合气的相图；（b）原子氢浓度对碳氢化合物相的影a）Thermal equilibrium phase diagram of H2and CH4mixture;（b）atomicconcentration effect on hydrocarbons phase1-1（a）可知，当温度高于 1500K 的区域，C2H2基团浓度会趋的浓度会随温度的增长而持续增加。在 MPCVD 系统中，等约在 2500-3000K。因此，在等离子体集中区域物相以 C2H2基的温度下（约生长基底的表面温度），这种平衡显的尤为重要心区域及其周围到基体表面附近，温度变化从 2500-3000K 降中的趋势变化完美地解释了发生在等离子体中的成分变化。这金刚石的生长，存在的浓度梯度是含碳基团到达生长表面的驱子体中原子氢的存在，将会影响各种碳氢化合物活性基团的含区域原子氢与碳氢化合物基团的反应将会朝降低原子氢的方向

石英钟罩

经过设备的改进与技术的创新研备金刚石薄膜的技术，微波等离子体化学气电，离化率高、电子活性大；2）微波放电可产生高密度的等离子体。其中包括高密度高速率的生长金刚石薄膜；3）腔体设计精可沉积均匀优质的薄膜；4）微波放电电压控性高，相对而言操作简单；5）微波放电反应容器器壁接触，有利于沉积制备高质量是制备高质量薄膜较为理想的技术。本课题中掺氮 UNCD 薄膜的沉积制MPCVD 装置上完成。图 2.1 为装置实物图生器、波导系统、真空系统和供气系统、控容器等组成。

【参考文献】