一種陰極三元合金膜及製備覆膜浸漬擴散陰極的方法

2023-04-23 22:18:46 3

專利名稱：：一種陰極三元合金膜及製備覆膜浸漬擴散陰極的方法
技術領域：
：本發明涉及微波電真空器件製造
技術領域：
，是一種陰極三元合金膜及製備覆膜浸漬擴散陰極的方法。
背景技術：
：在微波電真空器件製造
技術領域：
，覆膜浸漬擴散陰極(簡稱M型陰極)是一種普遍採用的陰極。其特徵是發射材料(鋇鋁酸鹽)浸漬儲存於多孔的鎢海綿體(陰極基體)內部，陰極表面沉積有一層降低電子逸出功的貴金屬或合金(Os、Os-Ru、Os-W、Ir、W-Ir等)膜。隨著微波電真空器件不斷向高功率、高頻率方向發展，要求陰極能夠支取更高的電流密度，然而，常規的覆膜浸漬擴散陰極，95(TC可有效支取的直流電流密度僅為35A/cm2。提高陰極工作溫度雖可提高電流密度，但往往伴隨蒸發增大的問題。陰極蒸發增大，直接導致微波器件極間絕緣下降，打火現象增多，嚴重時還可導致器件及系統癱瘓。迄今為止，為提高覆膜浸漬擴散陰極的發射能力，己發展了多種方法。例如，美國Varian公司採取了三種方法(R.E.Thomas,J.W.Gibson,G.A.Hassetal.正EETransactionsonelectrondevices.1990,37(3》850-861):一是在陰極表面沉積多層不同成分的薄膜；二是在陰極覆膜前，在鎢基體上添加少量貴金屬，以減少貴金屬向鎢基體的擴散；三是在陰極表面沉積具有優先定向生長結構的貴金屬膜，以改善發射的均勻性。我國中國科學院電子學研究所則採用在陰極表面覆(Os-W)/Re雙層膜的方法，可使陰極95(TC的直流電流密度從4.9A/cm2，提高至5.6A/cm2，提高幅度為14%(YutaoL,'HonglaiZhang,PukunLiu，MingZhang.Anewdispensercathodewithdual-layer.Appl.Surf.Sci.2005,251:126-129)。以上幾種方法，雖然使陰極發射能力有所提高，但提高幅度都十分有限。到目前為止，尚沒有一種較為簡單的方法，可以使覆膜浸漬擴散陰極的發射水平獲得較大幅度的提高。
發明內容本發明的目的在於，針對覆膜浸漬擴散陰極製造
技術領域：
存在的陰極發射水平提高幅度較低的問題，提出一種陰極三元合金膜及製備覆膜浸漬擴散陰極的方法來解決這個問題。為達到上述目的，本發明的技術解決方案是基於我們首次發現鉤錸鋨(W-Re-Os)三元合金膜，與現有合金膜相比，可以對Ba和O形成更為強烈和有效的吸附，特提出一種陰極三元合金膜及製備覆膜浸漬擴散陰極的新方法。一種陰極三元合金膜為鎢(W)、錸(Re)和鋨(Os)三種元素組成的三元合金膜。一種製備覆膜浸漬擴散陰極的新方法包括鉤海綿體製備、陰極車制、陰極表面覆膜、浸鹽等工序。本發明的特徵在於，在覆膜浸漬擴散陰極製備過程中，陰極表面覆膜採用由鎢(W)、錸(Re)和鋨(Os)三種元素組成的三元合金膜，合金膜成分(重量比)為W4565wt%、Re2545wt%、Osl030wt%，膜厚為0.50.8微米。製備這種陰極三元合金膜有兩種方法方法一是依次濺射沉積Re膜和Os-W(4065:4065wt%)膜，再進行高溫合金化(合金化利用浸漬發射材料的高溫及保溫時間完成)；方法二是製備鎢錸鋨(W-Re-Os)三元合金耙，在陰極表面直接濺射沉積薄膜。方法一通過調整Re膜和Os-W膜的膜厚、高溫合金化溫度及時間，可改變合金膜的成分。第一層Re膜的厚度至少為0.3微米，和最多0.6微米。高溫合金化處理時，Re同時向陰極基體及表面W-Os膜擴散，由於Re的擴散速度明顯高於W和Os，Re膜偏薄，擴散結束表面合金膜中Re成分可能偏低，Re膜偏厚，高溫合金化擴散又會使合金膜中Re成分偏高。這一方法製備工藝稍顯複雜，但是靶材為常用靶材，容易配置，更重要的是，高溫合金化的薄膜與陰極基體結合牢固，因而具有很強的抗離子轟擊能力。方法二採用鎢錸鋨(W-Re-Os)三元合金靶材進行濺射沉積。這種方法薄膜製備工藝簡單，但是未經高溫合金化的與陰極基體結合力稍弱，薄膜穩定性稍差。採用本發明的一種陰極三元合金膜及製備覆膜浸漬擴散陰極的方法所取得的實際效果為1、可使覆膜浸漬擴散陰極的發射電流密度成倍提高。950。C發明陰極可有效支取的直流密度為13.014.8A/cm2，與常規陰極95(TC支取直流密度35A/cm2相比，電流密度增加2倍以上。本發明較好地解決了陰極發射能力採用現有技術難以大幅度提高的問題。2、本方法適用於各種規格的覆膜浸漬擴散陰極，可以滿足陰極批量生產的需要。本發明的一種陰極三元合金膜及覆膜浸漬擴散陰極，由於可使陰極發射電流密度成倍提高，並可較容易地製備成各種規格並易於實現批量生產，因此，未來較長的一段時間內，採用本發明方法製備的陰極將可能逐步成為高性能微波管釆用的主力陰極。本發明陰極可應用於各類微波電真空器件如速調管、行波管、迴旋管等，也可在電視機的電子管以及電子顯微鏡中使用。圖1本發明陰極的示意圖2為覆Os-W二元合金膜浸漬擴散陰極直流發射j(單位A/cm2)對數與電壓U(單位V)對數圖3為本發明實施方式一覆膜浸漬擴散陰極直流發射j(單位A/cm2)對數與電壓U(單位V)對數圖；圖4為本發明實施方式二覆膜浸漬擴散陰極直流發射j(單位A/cm2)對數與電壓U(單位V)對數圖。具體實施例方式如圖l所示，圖中標示陰極鎢海綿基體ll，鉬支撐筒21，覆膜層31，發射材料41，熱子51，氧化鋁填充物61。本發明的陰極由陰極鎢海綿基體ll、鉬支撐筒21、發射表面覆膜層31、發射材料41、熱子51和氧化鋁填充物61等組成。其中鉤海綿基體ll通過對鎢粉採用常規工藝進行壓制、燒結、浸銅、車制、去銅等獲得。鎢海綿基體11與鉬支撐筒21採用鉬釕釺料進行高溫釺焊(2050°CX12分鐘)。螺旋狀陰極熱子(鎢錸絲表面有一層電泳的氧化鋁塗層)51，放置於鉬筒中，用氧化鋁絕緣物填充並燒結(165(TCX23分鐘)。發射材料41通過常規高溫浸漬浸入到鎢海綿體孔隙內。在上述結構中，具有特殊成分的表面覆膜層21是本發明的特徵件，這一覆膜層為W-Re-Os三元合金膜，合金膜元素重量比為W4565wt%:Re2545wt%:Os1030wt%，合金膜的厚度為0.50.8微米。製備這一合金膜可採用如下兩種方式中的任意一種。實施方式一浸漬發射材料之前，採用Re靶在陰極表面濺射沉積0.30.4微米厚的Re膜，得到第一層膜；之後採用Os-W(55:45wt%)靶沉積0.30.4微米的Os-W膜，得到第二層膜；接下來浸漬發射材料，利用發射材料的高溫浸漬過程，使陰極表面兩層薄膜間、薄膜與陰極基體間充分擴散，實現陰極表面膜層的合金化。實施方式二浸漬發射材料之後，利用成分比為W4565wt%:Re2545wt^:OslO30wt^的三元合金耙，在陰極表面濺射沉積0.50.8微米厚的W-Re-Os三元合金膜。一般認為，現有的覆膜浸漬擴散陰極中，覆Os-W二元合金膜的浸漬擴散陰極具有相對最高的發射水平。為了說明本發明陰極發射能力，特選擇覆Os-W二元合金膜的浸漬擴散陰極進行對比。陰極製備及對比實驗如下例l:覆Os-W二元合金膜浸漬擴散陰極實驗條件陰極基體11選用孔度為24%的鎢海綿體，基體直徑2.5毫米；陰極基體與鉬支撐筒21採用鉬釕釺料進行高溫釺焊(205(TCX1分鐘)；將熱子51裝入鉬支撐筒21內，填充氧化鋁填充物61，高溫燒結1650。CX3分鐘；發射材料41選用Ba0:Ca0:AlA摩爾比為6:1:2鋁酸鹽(簡稱612鋁酸鹽)，用硝棉將612鋁酸鹽調成糊狀塗覆在陰極發射表面，在氫爐中進行高溫浸漬(160CTCX30秒)，重複4次，直至將鹽浸滿陰極基體ll;用機械拋光及化學清洗方法去除陰極表面殘留的鹽漬，在氫爐中對陰極進行125(TCX5分鐘還原處理；採用離子轟擊刻蝕技術去除陰極表面加工變形層；在陰極表面濺射沉積0.40.6微米厚的0s-W二元合金膜。共製備3個陰極。在安裝和激活後，陰極在水冷二極體裝置中測量發射，採用直流負載，陰極溫度為950°C(亮度溫度)。對製備的3個陰極進行了直流發射測量，結果為950°C陰極直流發射偏離點為4.3A/cm2、4.6A/cm，4.9A/cm2，圖2為典型的陰極伏安特性測試曲線(偏離點為4.9A/cm2)。取偏離點電流平均值，得到覆0s-W膜浸漬擴散陰極的直流發射能力為4.6A/cm2。4.6A/cm2基本代表了現有覆膜陰極的發射水平。例2:釆用實施方式一製備覆膜浸漬擴散陰極實驗條件採用與例l相同的陰極基體ll;陰極基體ll與鉬支撐筒21採用鉬釕釺料進行高溫釺焊(205(TCX1分鐘)；將熱子51裝入鉬支撐筒21內，填充氧化鋁填充物61，高溫燒結165(TCX3分鐘；採用離子轟擊刻蝕技術去除陰極表面加工變形層；陰極表面先濺射沉積0.30.4微米厚的Re膜，再濺射沉積0.30.4微米厚的0s-W(55:45wt%)膜；發射材料41選用612鋁酸鹽，用硝棉將612鋁酸鹽調成糊狀塗覆在陰極發射表面，在氫爐中進行高溫浸漬(1600。CX30秒)，重複4次，直至將鹽浸滿陰極基體11，這一高溫浸漬過程將使陰極表面獲得所需的W-Re-Os三元合金膜層31;用機械拋光及化學清洗去除陰極表面殘留的鹽漬，在氫爐中對陰極進行1250°CX5分鐘還原處理。共製備3個陰極。陰極安裝、激活和直流發射測試條件與例1相同。對採用實施方式一製備的3個本發明陰極，進行了直流發射測量，結果為950°C下，3個陰極直流發射偏離點為13.8A/cm2、14.3A/cm^B14.8A/cm2，圖3為典型陰極伏安特性測試曲線(偏離點為14.3A/cm2)。取偏離點電流平均值，得到採用實施方式一的本發明陰極直流發射能力為14.3A/cm2。例3採用實施方式二製備覆膜浸漬擴散陰極實驗條件陰極製備過程與例l基本相同，區別在於，陰極表面濺射沉積的是O.50.6微米厚的W-Re-Os三元合金膜31，膜的成分為W55wt%、Re25wt%、Os20wt%。共製備3個陰極。陰極安裝、激活和直流發射測試條件與例1相同。採用實施方式二製備的3個發明陰極，其直流發射測量結果為950°C下，陰極直流發射偏離點分別為13.0A/cm2、13.2A/cm2和14.0A/cm2，圖4為其中1個陰極伏安特性曲線(偏離點為14.3A/cm2)。取偏離點電流平均值，由此得到採用實施方式二的本發明陰極直流發射能力為13.4A/cm2。對比實施例及表l，可以清楚地看出，與常規覆膜浸漬擴散陰極(例1陰極)相比，本發明陰極採用實施方式1，發射能力是常規陰極的3.1倍；本發明陰極採用實施方式2，發射能力是常規陰極的2.9倍。總之，無論本發明陰極採用何種實施方式，陰極的發射能力都比常規陰極的發射能力提高l倍以上。表l陰極發射情況對比tableseeoriginaldocumentpage10本發明並不局限於上述具體闡述，還可以在本發明的範圍內構思出幾種變化。例如，交替沉積Re膜和Os-W膜；共沉積Re、Os、W膜等。另外，在陰極採用W-Re-Os三元合金膜的同時，也可改變發射材料類型(如不同摩爾比的鋁酸鹽和鈧酸鹽)等等。權利要求1、一種陰極三元合金膜，其特徵在於，為鎢錸鋨三元合金膜，合金膜元素重量比為鎢(W)45～65wt％∶錸(Re)25～45wt％∶鋨(Os)10～30wt％，合金膜的厚度為0.5～0.8微米。2、一種用如權利要求1所述的利用陰極三元合金膜製備覆膜浸漬擴散陰極的方法，包括鎢海綿體製備、陰極車制、陰極表面覆膜、浸漬發射材料工序；其特徵在於，有兩種實施方式A:浸漬發射材料之前，採用錸靶在陰極表面濺射沉積0.30.4微米厚的錸膜，得到第一層膜；之後，採用鋨鎢(55:45wt%)靶沉積0.30.4微米的鋨鎢膜，得到第二層膜；接下來浸漬發射材料，利用發射材料的高溫浸漬過程，使陰極表面兩層薄膜間、薄膜與陰極基體間充分擴散，實現陰極表面膜層的合金化；B:浸漬發射材料之後，利用成分比為鎢4565wt^錸2545wt^:鋨1030wt^的三元合金耙，在陰極表面濺射沉積0.50.8微米厚的鴿錸鋨三元合金膜。3、如權利要求1所述的陰極三元合金膜，其特徵在於，用於微波電真空器件，或電視機的電子管或電子顯微鏡。4、如權利要求2所述的製備覆膜浸漬擴散陰極的方法，其特徵在於，用於微波電真空器件，或電視機的電子管或電子顯微鏡。全文摘要本發明一種陰極三元合金膜及製備覆膜浸漬擴散陰極的方法，涉及微波電真空器件製造技術。陰極三元合金膜，為鎢錸鋨三元合金膜。一種製備覆膜浸漬擴散陰極的方法，A.在浸漬發射材料之前，用表面濺射法在陰極表面先濺射沉積錸膜，再濺射沉積鋨鎢膜，接下來浸漬發射材料，利用發射材料的高溫浸漬過程，實現陰極表面膜層的合金化；B.浸漬發射材料之後，利用鎢錸鋨三元合金靶，在陰極表面濺射沉積鎢錸鋨三元合金膜。用本發明的陰極三元合金膜製備的陰極，可使陰極發射電流密度成倍提高，加大了陰極發射能力，並可較容易地製備成各種規格並易於實現批量生產。本發明陰極可應用於各類微波電真空器件，也可在電視機的電子管以及電子顯微鏡中使用。文檔編號H01J1/13GK101335166SQ20071011800公開日2008年12月31日申請日期2007年6月27日優先權日2007年6月27日發明者張永清,張洪來,宇王,陰生毅申請人:中國科學院電子學研究所