CN101140845A - 微波源阴极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波源阴极及其制造方法。该阴极主要的电子发射材料为碳纤维织物和四针状纳米氧化锌，将四针纳米氧化锌与适量松油醇水浴中进行充分搅拌成混合物，上述浆料可以通过丝网印刷厚膜方法制造在碳纤维织物上。在高温下熔化无机熔剂将碳纤维织物固定贴附在不锈钢衬底上后通过过渡材料焊接在绝缘陶瓷板上，在陶瓷板的另一端焊接有突出的辅助电极，以改善阴极表面的电场分布增加阴极表面的横向电场，提高二次电子的产生效率，使阴极表面的电子发射均匀。该种阴极可以作为高功率微波源的电子源，实际器件应用中，阳极与阴极间施加数百千伏的脉冲电压，辅助电极与阴极间施加5kV～10kV的脉冲或直流电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波源阴极及其制造方法。该微波源阴极可以作为高功率微波源器件的电子源，包括大功率速调管、大功率行波管、返波振荡器及相对论器件等，应用方向为粒子加速器、等离子体加热、航天通信等。
背景技术
高功率微波系统可以利用阴极产生强流电子束，电子束在交变电磁场中与波相互作用，把电子束的能量转化为高功率微波。大电流密度阴极是高功率微波器件的关键部件，目前绝大多数高功率微波源都采用简单的非热电离爆炸式发射冷阴极。
所谓爆炸式发射，即指在二极管器件结构中，如果在阴极和阳极(收集极)之间施加高幅度脉冲高压，在电压的脉冲前沿(上升沿)到来时，阴极发射体产生场致发射；场致发射电流随阳极电压的增加而增加，当场发射电流密度增加到一定程度，由于发射电流对阴极材料的不断加热，材料分子向空间蒸发，在空间形成气氛，随即被阴极后续发出且被阳极高压不断加速的高能电子电离，使发射电流进一步增加；发射电流的增加，又使发射体尖端被进一步加热，造成更多的阴极材料的熔化和表面爆炸式分解，更多的材料分子被蒸发到空间，随即被电离，形成包围整个阴极的等离子体壳层。该等离子体壳层以一定的速率向阳极膨胀，在该膨胀过程中，大密度电子流由壳层内发射出来轰击到阳极或收集极上。
爆炸式发射阴极有很多优点，是目前唯一可以提供kA/cm2发射电流密度的阴极，但是它们也有严重的缺点和局限性：1、作为电子源的表面等离子体不断膨胀使阴阳极A-K间隙短路，从而限制了微波脉冲的长度(和能量)；2、脉冲宽度内，束电流和电压的波形常有剧烈的变化，微波功率从而变化剧烈。目前，天鹅绒阴极在一些高功率微波源中得到了应用，但是其较差的真空性能、过早的间隙闭合以及过短的使用寿命，势必被新兴的材料所替代；碳纤维阴极采用碳纤维做为电子发射体，碳纤维阴极的发射电压阈值较低(低于20kV/cm)，与金属和天鹅绒阴极相比较，具有较长的寿命。
目前，即使采用碳纤维的爆炸式场发射阴极也存在放气严重和发射不均匀等缺点，因此在寻找新型材料替代原有的阴极材料前，必须重视目前存在的三大主要问题：1、理想状态下，电子由以低闭合速度运动的单能等离子体中发射出来，但是目前实际应用场合下，等离子体是非常不均匀的，而且运动的速度比较快；2、等离子体的发射均匀性和重复性必须要有保证，基本解决方法就是要发射点尽量均匀，实际应用中束流的不对称将严重影响微波源输出的效率；3、工作过程中，材料放气对内部真空度的影响不能太大，否则气压上升到一定程度后，容易产生电弧，造成极间短路，在实际应用中随着功率、阴极面积的增加，放气量会明显上升。
发明内容
技术问题：本发明针对高功率微波源大工作电流的需求，提出了一种采用碳纤维织物与纳米氧化锌的高功率微波源阴极及其制造方法。本发明还给出一种带有辅助电极的阴极结构，改变阴极材料的表面电场，充分利用二次电子发射增加发射电流密度。本发明中的阴极在材料使用和制造方法上不同于以往的爆炸式电子发射阴极，适用于大多数高功率微波源，并具有优良的发射和电子束流特性。
技术方案：本发明公开了一种微波源阴极及其制造方法。微波源阴极包括不锈钢衬底、碳纤维织物、四针纳米氧化锌浆料丝印层、绝缘真空陶瓷板、辅助电极；第一层为四针纳米氧化锌浆料丝印层、第二层为碳纤维织物、第三层为不锈钢衬底、第四层为绝缘真空陶瓷板，所述第三层形成在第四层上，第二层形成在第三层上，第一层形成在第二层上，辅助电极设置在绝缘真空陶瓷板的一端。
上述微波源阴极中的四针纳米氧化锌浆料丝印层厚度不小于十微米。四针纳米氧化锌浆料丝印层包含四针纳米氧化锌、松油醇、乙基纤维素、碳纳米管、氧化镁粉末，碳纤维织物为聚丙烯腈基活性碳纤维、天鹅绒织物；四针纳米氧化锌与松油醇质量比范围值在1∶100到1∶10之间，碳纳米管与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，氧化镁粉末与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，乙基纤维素松油醇的质量比为1∶100。
本发明的制造微波源阴极的方法包括如下步骤：
步骤一：在热水中将四针纳米氧化锌与松油醇混合后，加入乙基纤维素、碳纳米管、氧化镁粉末，充分搅拌均一后得到浆料；
步骤二：将步骤一得到的浆料通过丝网印刷在碳纤维织物上形成四针纳米氧化锌浆料丝印层；
步骤三：在10-2Pa真空中对步骤二中的碳纤维织物高温烘烤后，对碳纤维织物表面进行亲水处理；
步骤四：将步骤三中的碳纤维织物平铺在不锈钢衬底上，两者之间加入低熔点无机溶剂，在高温下熔化碳纤维织物贴附在不锈钢衬底上；
步骤五：不锈钢衬底底部通过金属-陶瓷过渡材料焊接在绝缘陶瓷板上，在陶瓷板的一端焊接有突出的辅助电极。
上述制造微波源阴极的方法，其特征在于步骤一中热水温度为85摄氏度到95摄氏度之间，步骤三中的高温温度为345摄氏度到355摄氏度之间，步骤四中的高温温度为425摄氏度到435摄氏度之间。四针纳米氧化锌与松油醇质量比范围值在1∶100到1∶10之间，碳纳米管与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，氧化镁粉末与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，乙基纤维素与松油醇的质量比为1∶100。步骤三中采用热氧化法或等离子体刻蚀的方法对碳纤维织物表面进行亲水处理；步骤四中低熔点无机熔剂为玻璃粉，加入玻璃粉0.01g/cm2；步骤五中金属-陶瓷过渡材料为可伐(铁镍钴玻封合金4J29)。
本发明中使用的碳纤维织物为可购买到的普通纺织品，常见的有聚丙烯腈基活性碳纤维等，含碳量大于90％，燃点为1300摄氏度，厚度可以根据生产条件，按国家标准制定，一般可采用化学粘合法、针刺或水刺法来生产。本发明中使用的四针纳米氧化锌一般采用热氧化法制造，即在温度为900摄氏度的石英管式炉内置入纯度为99.9％的锌粉，通入纯氧或空气，反应结束后，可以收集到结晶的四针状纳米氧化锌絮状物。
本发明中阴极主要的电子发射材料为碳纤维织物和四针状纳米氧化锌，其中需将四针纳米氧化锌与适量松油醇(质量比1∶100～1∶10)在90摄氏度水浴中进行充分搅拌混合，并加入乙基纤维素增稠，为增加浆料的导电性能、电子发射性能和二次电子发射性能，可以加入少量的碳纳米管和氧化镁粉沫等，上述浆料配置完毕后可以通过丝网印刷等厚膜方法制造在碳纤维织物上。在350摄氏度高温烘烤处理2～3小时后，浆料中的有机物被分解挥发出来，烘烤环境为10-2Pa真空。碳纤维织物为市场上常见的碳纤维布，如聚丙烯腈基活性碳纤维等，为保证纤维布与浆料有充分的浸润和附着力，需要采用热氧化法或等离子体刻蚀的方法对其表面进行亲水处理，以增加其表面突起和粗糙度。在阴极的制造中，丝网印刷在碳纤维织物上的浆料膜厚度在几十微米到几百微米之间。表面印刷了纳米氧化锌材料的碳纤维织物可平铺在不锈钢衬底上，两者之间加少量低熔点无机溶剂，在高温430摄氏度下熔化后碳纤维织物会固定贴附在不锈钢衬底上。附着碳纤维织物的不锈钢衬底可以通过金属-陶瓷过渡材料焊接在绝缘陶瓷板上，在陶瓷板的另一端也焊接有突出的辅助电极，可以改善阴极表面的电场分布，同时增加了阴极表面的横向电场，有利于提高二次电子的产生效率，从而改进阴极表面的电子发射均匀性。该种阴极可以作为高功率微波源的电子源，实际器件应用中，阳极与阴极间施加100kV～600kV，脉宽100纳秒～1微秒的脉冲电压，辅助电极与阴极间施加5kV~10kV的脉冲或直流电压。
在高真空环境中，本发明中阴极上的四针纳米氧化锌在阳极和辅助电极电场作用下发射电子，即场致发射，随着脉冲电压幅度的不断提高，电子发射不断地增强，并在横向电场的作用下，高速轰击阴极表面产生二次电子发射，此后二次电子再次被加速，进一步轰击介质，发生二次电子的雪崩效应，并建立所谓“表面闪络现象”，理论界通常认为在纤维阴极中，表面闪络是大电流发射的主要原因。随着电流密度的加大，阴极的主要组成材料被加热至极高的温度，材料分子向空间蒸发，在空间形成气氛，随即被阴极后续发出且被阳极高压不断加速的高能电子电离，使发射电流进一步增加；发射电流的增加，又使发射体尖端被进一步加热，造成更多的阴极材料的熔化和表面爆炸式分解，更多的材料分子被蒸发到空间，随即被电离，形成包围整个阴极的等离子体壳层。该等离子体壳层以一定的速率向阳极膨胀，在该膨胀过程中，大密度电子流由壳层内发射出来。
有益效果：本发明提出了一种有机结合了纳米氧化锌和碳纤维织物的高功率微波源阴极的制造和使用方法，在材料和制造方法上不同于以往的爆炸式电子发射阴极。该种阴极适用于大多数高功率微波源，并具有优良的发射和电子束流特性。
在碳纤维织物上丝网印刷四针纳米氧化锌发射材料，除充分利用了碳纤维在爆炸式发射阴极的优势和特点以外，四针纳米氧化锌稳定的理化特性有助于延长阴极的寿命，其特殊的几何结构和较低的功函数有利于降低发射阈值；纳米氧化锌是单晶半导体材料，材料放气少，有利于减慢阳极阴极A-K间隙闭合；在电子轰击下，混合了氧化镁的纳米氧化锌有明显的二次电子发射，有利于提高电流发射密度；在碳纤维织物上均匀分布，并掺有碳纳米管的纳米氧化锌涂层在电场作用下，初始电子发射比较均匀，有利于提高阴极爆炸后的束流均匀性和束斑质量。通常在爆炸式场发射阴极中，由于电场的边沿效应，阴极表面的电子发射出现不均匀，本发明中将在阴极电极附近增加电压略高于阴极的辅助电极，该电极可以改善阴极表面的电场分布，同时提高二次电子的产生效率，从而改进阴极表面的电子发射均匀性。
附图说明
图1是本发明的阴极组成示意图，其中有不锈钢衬底(1)，碳纤维织物(2)，四针纳米氧化锌浆料丝印层(3)，绝缘真空陶瓷板(4)，辅助电极(5)。
图2是本发明的阴极材料中纳米氧化锌浆料的扫描电子显微(SEM)图像。
图3是本发明阴极的二极管结构示意图，其中有不锈钢衬底(1)，碳纤维织物(2)，四针纳米氧化锌浆料丝印层(3)，绝缘真空陶瓷板(4)，辅助电极(5)和阳极(6)。
具体实施方式
下面是本发明的具体实施例来进一步描述：
本发明的微波源阴极包括不锈钢衬底、碳纤维织物、四针纳米氧化锌浆料丝印层、绝缘真空陶瓷板、辅助电极；第一层为四针纳米氧化锌浆料丝印层、第二层为碳纤维织物、第三层为不锈钢衬底、第四层为绝缘真空陶瓷板，所述第三层形成在第四层上，第二层形成在第三层上，第一层形成在第二层上，辅助电极设置在绝缘真空陶瓷板的一端。
上述微波源阴极，其特征在于四针纳米氧化锌浆料丝印层厚度不小于十微米。四针纳米氧化锌浆料丝印层包含四针纳米氧化锌、松油醇、乙基纤维素、碳纳米管、氧化镁粉末，碳纤维织物为聚丙烯腈基活性碳纤维、天鹅绒织物；四针纳米氧化锌与松油醇质量比范围值在1∶100到1∶10之间，碳纳米管与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，氧化镁粉末与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，乙基纤维素松油醇的质量比为1∶100。
实施例一：微波源阴极及其制造方法包括如下步骤：步骤一，在90摄氏度水中将四针纳米氧化锌10克与松油醇100克混合后，加入适量乙基纤维素增稠，再加入碳纳米管1.1克、氧化镁粉末2.2克，充分搅拌均一后得到浆料；步骤二，将步骤一中的浆料通过丝网印刷在聚丙烯腈基活性碳纤维上，浆料厚度为40微米；步骤三，如示图2在10-2Pa真空中对步骤二中的聚丙烯腈基活性碳纤维在350摄氏度高下温烘烤处理3小时后，浆料中的有机物被分解挥发出来，利用等离子体刻蚀的方法对聚丙烯腈基活性碳纤维表面进行亲水处理；步骤四，将步骤三中的聚丙烯腈基活性碳纤维平铺在不锈钢衬底上，两者之间加入少量低熔点玻璃粉，在430摄氏度高温下熔化后，聚丙烯腈基活性碳纤维贴附在不锈钢衬底上；步骤五，不锈钢衬底底部通过可伐(铁镍钴玻封合金4J29)材料焊接在绝缘陶瓷板上，在陶瓷板的一端焊接有突出的辅助电极。
实施例二：微波源阴极及其制造方法包括如下步骤：步骤一，在90摄氏度水中将四针纳米氧化锌10克与松油醇1000克混合后，加入适量乙基纤维素增稠，再加入碳纳米管10.1克、氧化镁粉末20.2克，充分搅拌均一后得到浆料；步骤二，将步骤一中的浆料通过丝网印刷在聚丙烯腈基活性碳纤维上，浆料厚度为400微米；步骤三，如示图2在10-2Pa真空中对步骤二中的聚丙烯腈基活性碳纤维在350摄氏度高下温烘烤处理3小时后，浆料中的有机物被分解挥发出来，利用等离子体刻蚀的方法对聚丙烯腈基活性碳纤维表面进行亲水处理；步骤四，将步骤三中的聚丙烯腈基活性碳纤维平铺在不锈钢衬底上，两者之间加入少量低熔点玻璃粉，在430摄氏度高温下熔化聚丙烯腈基活性碳纤维贴附在不锈钢衬底上；步骤五，不锈钢衬底底部通过可伐(铁镍钴玻封合金4J29)材料焊接在绝缘陶瓷板上，在陶瓷板的一端焊接有突出的辅助电极。
实施例三：微波源阴极及其制造方法包括如下步骤：步骤一，在90摄氏度水中将四针纳米氧化锌10克与松油醇500克混合后，加入适量乙基纤维素增稠，再加入碳纳米管5.1克、氧化镁粉末10.2克，充分搅拌均一后得到浆料；步骤二，将步骤一中的浆料通过丝网印刷在聚丙烯腈基活性碳纤维上，浆料厚度为200微米；步骤三，如示图2在10-2Pa真空中对步骤二中的聚丙烯腈基活性碳纤维在350摄氏度高下温烘烤处理3小时后，浆料中的有机物被分解挥发出来，利用等离子体刻蚀的方法对聚丙烯腈基活性碳纤维表面进行亲水处理；步骤四，将步骤三中的聚丙烯腈基活性碳纤维平铺在不锈钢衬底上，两者之间加入少量低熔点玻璃粉，在430摄氏度高温下熔化聚丙烯腈基活性碳纤维贴附在不锈钢衬底上；步骤五，不锈钢衬底底部通过可伐(铁镍钴玻封合金4J29)材料焊接在绝缘陶瓷板上，在陶瓷板的一端焊接有突出的辅助电极。
本发明中使用的碳纤维织物为可购买到的普通纺织品，常见的有聚丙烯腈基活性碳纤维等，含碳量大于90％，燃点为1300摄氏度，厚度可以根据生产条件，按国家标准制定，一般可采用化学粘合法、针刺或水刺法来生产。本发明中使用的四针纳米氧化锌一般采用热氧化法制造，即在温度为900摄氏度的石英管式炉内置入纯度为99.9％的锌粉，通入纯氧或空气，反应结束后，可以收集到结晶的四针状纳米氧化锌絮状物。
在装有本发明公布的阴极的二极管器件结构中，阳极上施加峰值100kV～600kV，脉宽100纳秒～1微秒的脉冲电压，辅助电极上施加5kV～10kV的脉冲或直流电压。在高真空环境中，本发明中阴极上的四针纳米氧化锌在阳极和辅助电极电场作用下发射电子，即场致发射，随着脉冲电压幅度的不断提高，电子发射不断地增强，并在横向电场的作用下，高速轰击阴极表面产生二次电子发射，此后二次电子再次被加速，进一步轰击介质，发生二次电子的雪崩效应，并建立所谓“表面闪络现象”，理论界通常认为在纤维阴极中，表面闪络是大电流发射的主要原因。随着电流密度的加大，阴极的主要组成材料被加热至极高的温度，材料分子向空间蒸发，在空间形成气氛，随即被阴极后续发出且被阳极高压不断加速的高能电子电离，使发射电流进一步增加；发射电流的增加，又使发射体尖端被进一步加热，造成更多的阴极材料的熔化和表面爆炸式分解，更多的材料分子被蒸发到空间，随即被电离，形成包围整个阴极的等离子体壳层。该等离子体壳层以一定的速率向阳极膨胀，在该膨胀过程中，大密度电子流由壳层内发射出来。
采用热氧化法制造，即先将温控石英管式炉的温度加热到900摄氏度，在小石英舟内置入纯度为99.9％的锌粉，通入纯氧或空气，温度保持在900摄氏度直至反应结束，并迅速将石英舟抽出石英管实现骤然冷却，在石英舟上收集结晶的四针状纳米氧化锌絮状物。
器件结构采用如示图3所示的二极管，在装有本发明公布的阴极的二极管器件结构中，阳极上施加峰值600kV，脉宽500纳秒的脉冲电压，辅助电极上施加5kV的直流电压。在高真空环境中，本发明中阴极上的四针纳米氧化锌在阳极和辅助电极电场作用下发射电子，随着脉冲电压幅度的不断提高，电子发射不断地增强，并在横向电场的作用下，高速轰击阴极表面产生二次电子发射，此后二次电子再次被加速，进一步轰击介质，发生二次电子的雪崩效应。随着电流密度的加大，阴极的主要组成材料被加热至极高的温度，材料分子向空间蒸发，在空间形成气氛，随即被阴极后续发出且被阳极高压不断加速的高能电子电离，使发射电流进一步增加；发射电流的增加，又使发射体尖端被进一步加热，造成更多的阴极材料的熔化和表面爆炸式分解，更多的材料分子被蒸发到空间，随即被电离，形成包围整个阴极的等离子体壳层。该等离子体壳层以一定的速率向阳极膨胀，在该膨胀过程中，大密度电子流由壳层内发射出来。
Claims (7)
1.一种微波源阴极，其特征在于该阴极包含第一层为四针纳米氧化锌浆料丝印层(3)、第二层为碳纤维织物(2)、第三层为不锈钢衬底(1)、第四层为绝缘真空陶瓷板(4)，辅助电极(5)设置在绝缘真空陶瓷板(4)的一端。
2.如权利要求1所述微波源阴极，其特征在于所述四针纳米氧化锌浆料丝印层(3)的厚度不小于十微米。
3.如权利要求1所述微波源阴极，其特征在于四针纳米氧化锌浆料丝印层(3)包含四针纳米氧化锌、松油醇、乙基纤维素、碳纳米管、氧化镁粉末，碳纤维织物(2)为聚丙烯腈基活性碳纤维、天鹅绒织物；四针纳米氧化锌与松油醇质量比范围值在1∶100到1∶10之间，碳纳米管与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，氧化镁粉末与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，乙基纤维素与松油醇的质量比为1∶100。
4.一种如权利要求1所述的制造微波源阴极的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤一：在热水中将四针纳米氧化锌与松油醇混合后，加入乙基纤维素、碳纳米管、氧化镁粉末，充分搅拌均一后得到浆料；
步骤二：将步骤一得到的浆料通过丝网印刷在碳纤维织物(2)上形成四针纳米氧化锌浆料丝印层(3)；
步骤三：在10-2Pa真空中对步骤二中的碳纤维织物(2)高温烘烤后，对碳纤维织物(2)表面进行亲水处理；
步骤四：将步骤三中的碳纤维织物(2)平铺在不锈钢衬底(1)上，两者之间加入低熔点无机溶剂，在高温下熔化将碳纤维织物(2)贴附在不锈钢衬底(1)上；
步骤五：不锈钢衬底(1)底部通过金属-陶瓷过渡材料焊接在绝缘陶瓷板(4)上，在陶瓷板的一端焊接有突出的辅助电极(5)。
5.如权利要求4所述制造微波源阴极的方法，其特征在于步骤一中热水温度为85摄氏度到95摄氏度之间，步骤三中的高温温度为345摄氏度到355摄氏度之间，步骤四中的高温温度为425摄氏度到435摄氏度之间。
6.如权利要求4所述制造微波源阴极的方法，其特征在于步骤一中四针纳米氧化锌与松油醇质量比范围值在1∶100到1∶10之间，碳纳米管与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，氧化镁粉末与松油醇的质量比范围值在1∶100到1∶50之间，乙基纤维素与松油醇的质量比为1∶100。
7.如权利要求4所述制造微波源阴极的方法，其特征在于步骤三中对碳纤维织物(2)表面进行亲水处理采用热氧化法或等离子体刻蚀的方法；步骤四中低熔点无机熔剂为玻璃粉，玻璃粉的加入量为0.01g/cm2；步骤五中金属-陶瓷过渡材料为可伐。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100421 Termination date: 20120930 |