扩散热阴极用浸渍活性物质结构与性能及其应用研究
发布时间：2021-10-29 03:24
真空电子器件不仅在国防领域有着重要的应用,在民用领域也有着广阔的应用前景。目前,随着真空电子器件向高频率、高功率方向发展,对扩散热阴极的要求也越来越高,而提升阴极性能最有效的方法就是制备出高质量的浸渍活性物质。然而,大量的调研发现,很少有针对扩散阴极用浸渍活性物质的系统性研究,这严重制约了扩散阴极生产和制造水平的进一步提升。因此,本文针对大功率真空电子器件对高质量扩散阴极的需求,利用液相共沉淀法成功制备了钡-钙-铝酸盐、钡-钙-钪-铝酸盐和单相（Ba,Ca）2ScAlO5等三种不同种类的浸渍活性物质,通过对制备工艺、物相结构、微观形貌和阴极电子发射性能等研究,获得了一些有价值和创新性的结果,并在带状束拓展互作用器件和大功率回旋行波管中取得了较好的应用效果。本文获得了以下几个方面的重要结论:1.利用液相共沉淀法制备的512,612,532和411等成分的铝酸盐（数字代表铝酸盐中Ba O,Ca O,和Al2O3的摩尔比）经高温烧结后物相组成不同,其浸渍阴极的电子发射能力也存在差异。在1200°C的烧结温...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
三种器件在微波和毫米波段可以实现的峰值功率对比[3-7]
第一章绪论3在1000~1100°C的工作温度下，能稳定地提供最高20A·cm-2的直流发射电流密度和60A·cm-2的低工作比脉冲发射电流密度；工作寿命也可在几千小时到数万小时之间。目前，扩散阴极已经成功应用在行波管、回旋管、磁控管、太赫兹器件、X射线管和线性加速器等商业化的真空电子器件中。图1-3给出了几种真空电子器件使用的扩散热阴极的实物图[15-17]。(a)(b)(c)图1-3几种真空电子器件中的扩散阴极实物图。(a)多注速调管用扩散阴极[15]；(b)回旋行波管用扩散阴极[16]；(c)高能电子加速器用扩散阴极[17]广义上的扩散阴极可以分为：存储型扩散阴极、压制型扩散阴极、浸渍型扩散阴极以及在浸渍型阴极基础上改进的覆膜阴极和含钪扩散阴极等等。然而不管阴极采用何种结构形式，扩散阴极的制备都离不开一类关键材料——活性物质。目前，扩散阴极基本上都会选用钡-钙-铝酸盐或钡-钙-钪-铝酸盐作为活性物质，将其浸渍或压制到金属基体中，活性物质在高温下与金属基体产生化学反应后，生成的Ba和\或Sc扩散到阴极表面，可以降低表面逸出功，从而实现比较可观的发射电流密度。由此可见，活性物质作为扩散阴极中维持表面低功函数的“化学源泉”，对阴极电子发射性能起着至关重要的作用。随着近年来对真空电子器件的研制水平要求越来越高，对浸渍型扩散阴极性能提升的需求也日益迫切。而提高扩散热阴极性能的最有效和直接的途径就是开发出新型的活性物质，这样就可以在比较简单的阴极制备工艺下，实现阴极性能的提升。在过去的几十年，美国、俄罗斯等国家投入了大量精力开展浸渍活性物质的研究和攻关，以适应高性能真空电子器件发展的需要，这也确立了他们在热阴极领域的领先地位。然而，由于受到原材料和技术封锁限制等影响，我国在扩散阴极?
电子科技大学博士学位论文61.2.2浸渍扩散阴极的基本工作原理根据理查德森-杜什曼方程可看出，要想使阴极的获得较高的发射电流密度J，就必须增加阴极工作温度T或者减小功函数φ。为了尽可能地使阴极在较低温度下工作，保证阴极工作寿命和稳定性，人们一直在追求低功函数材料来实现比较可观的热电子发射电流。使用碱土原子吸附产生偶极子层来降低表面功函数的方法[19]是阴极发展历程中的一个重大进展。扩散阴极就是采用这种机制实现了表面功函数的降低，从而实现较大的发射密度[20]。目前，已经有很大发展和应用的就是所谓的浸渍式钡钨扩散阴极（简称为浸渍扩散阴极）。图1-4给出了典型的浸渍钡钨扩散阴极的结构示意图和工作原理图。从图1-4中可以看出，浸渍扩散阴极是由钨(W)颗粒组成的多孔基体和含Ba的浸渍活性盐组成的。经过适当的升温，孔隙中的浸渍物会与钨颗粒发生化学反应，不断地生成活性Ba和BaO，它们通过热扩散机制到达多孔W基体表面并且形成Ba-O偶极子层，实现低逸出功电子发射表面。在阴极工作过程中，钡以原子钡和氧化钡的形式不断从阴极表面蒸发，其损失可以从孔隙中的浸渍活性物质中得到补充。图1-4典型的浸渍钡钨扩散阴极结构示意图[21]最初在研究扩散阴极工作机制时使用的浸渍活性物质通常为钡-铝酸盐。Rittner等人的研究结果给出了Ba3Al2O6和W在阴极体内可能发生的如下化学反应[22]：3Ba3Al2O6+W→Ba3WO6+3BaAl2O4+3Ba(1-15)或者
本文编号：3463864
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：131 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
三种器件在微波和毫米波段可以实现的峰值功率对比[3-7]
第一章绪论3在1000~1100°C的工作温度下，能稳定地提供最高20A·cm-2的直流发射电流密度和60A·cm-2的低工作比脉冲发射电流密度；工作寿命也可在几千小时到数万小时之间。目前，扩散阴极已经成功应用在行波管、回旋管、磁控管、太赫兹器件、X射线管和线性加速器等商业化的真空电子器件中。图1-3给出了几种真空电子器件使用的扩散热阴极的实物图[15-17]。(a)(b)(c)图1-3几种真空电子器件中的扩散阴极实物图。(a)多注速调管用扩散阴极[15]；(b)回旋行波管用扩散阴极[16]；(c)高能电子加速器用扩散阴极[17]广义上的扩散阴极可以分为：存储型扩散阴极、压制型扩散阴极、浸渍型扩散阴极以及在浸渍型阴极基础上改进的覆膜阴极和含钪扩散阴极等等。然而不管阴极采用何种结构形式，扩散阴极的制备都离不开一类关键材料——活性物质。目前，扩散阴极基本上都会选用钡-钙-铝酸盐或钡-钙-钪-铝酸盐作为活性物质，将其浸渍或压制到金属基体中，活性物质在高温下与金属基体产生化学反应后，生成的Ba和\或Sc扩散到阴极表面，可以降低表面逸出功，从而实现比较可观的发射电流密度。由此可见，活性物质作为扩散阴极中维持表面低功函数的“化学源泉”，对阴极电子发射性能起着至关重要的作用。随着近年来对真空电子器件的研制水平要求越来越高，对浸渍型扩散阴极性能提升的需求也日益迫切。而提高扩散热阴极性能的最有效和直接的途径就是开发出新型的活性物质，这样就可以在比较简单的阴极制备工艺下，实现阴极性能的提升。在过去的几十年，美国、俄罗斯等国家投入了大量精力开展浸渍活性物质的研究和攻关，以适应高性能真空电子器件发展的需要，这也确立了他们在热阴极领域的领先地位。然而，由于受到原材料和技术封锁限制等影响，我国在扩散阴极?
电子科技大学博士学位论文61.2.2浸渍扩散阴极的基本工作原理根据理查德森-杜什曼方程可看出，要想使阴极的获得较高的发射电流密度J，就必须增加阴极工作温度T或者减小功函数φ。为了尽可能地使阴极在较低温度下工作，保证阴极工作寿命和稳定性，人们一直在追求低功函数材料来实现比较可观的热电子发射电流。使用碱土原子吸附产生偶极子层来降低表面功函数的方法[19]是阴极发展历程中的一个重大进展。扩散阴极就是采用这种机制实现了表面功函数的降低，从而实现较大的发射密度[20]。目前，已经有很大发展和应用的就是所谓的浸渍式钡钨扩散阴极（简称为浸渍扩散阴极）。图1-4给出了典型的浸渍钡钨扩散阴极的结构示意图和工作原理图。从图1-4中可以看出，浸渍扩散阴极是由钨(W)颗粒组成的多孔基体和含Ba的浸渍活性盐组成的。经过适当的升温，孔隙中的浸渍物会与钨颗粒发生化学反应，不断地生成活性Ba和BaO，它们通过热扩散机制到达多孔W基体表面并且形成Ba-O偶极子层，实现低逸出功电子发射表面。在阴极工作过程中，钡以原子钡和氧化钡的形式不断从阴极表面蒸发，其损失可以从孔隙中的浸渍活性物质中得到补充。图1-4典型的浸渍钡钨扩散阴极结构示意图[21]最初在研究扩散阴极工作机制时使用的浸渍活性物质通常为钡-铝酸盐。Rittner等人的研究结果给出了Ba3Al2O6和W在阴极体内可能发生的如下化学反应[22]：3Ba3Al2O6+W→Ba3WO6+3BaAl2O4+3Ba(1-15)或者
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