CN102522281A - 一种薄膜钪钨阴极及其制备方法 - Google Patents

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王萍
王舒墨
李季
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Abstract

一种薄膜钪钨阴极及其制备方法，属于微波真空电子器件领域，该薄膜钪钨阴极包含阴极基体，基体下部是钼屏蔽筒，屏蔽筒内部为热子组件，阴极基体顶部表面为合成钪钨覆膜。所述薄膜钪钨阴极的制备方法，其操作步骤为阴极基体制备，阴极基体与钼支持筒进行装配，浸渍活性发射物质，阴极表面处理，直流溅射钪钨膜。该方法制备的阴极有利于提高电子发射能力和改善发射均匀性。

Description

一种薄膜钪钨阴极及其制备方法
技术领域
本发明属于微波真空电子器件领域，具体涉及到使用于大电流密度阴极的一种薄膜钪钨阴极及其制备方法。
背景技术
在诸多热电子发射阴极中，钪酸盐阴极目前具有比较高的发射水平，其低温大电流特性是显而易见的，但其发射的不均匀性、工艺重复性差以及耐离子轰击能力不足等问题，制约了在微波真空电子器件中钪酸盐阴极的广泛使用。
为了克服上述这种普通钪酸盐阴极抗离子轰击能力差的缺点，在现有技术中，阴极研究者研发了顶层钪酸盐阴极结构。按照研制方法和工艺不同，可把这类阴极分为“压制型”和“薄膜型”两种。
“薄膜型”钪酸盐阴极是在普通扩散阴极(“B”或“S”型)表面沉积一层含钪的氧化物或化合物薄膜，它们的成分如W+Sc2O3、Sc2O3、W+Sc2W3O12等，这样可以使得阴极发射的功函数减小到1.5eV以下。对钪系阴极的研究表明，阴极表面的Sc若以元素状态存在，对发射是没有贡献的，只有当Sc为氧化态时，才能够在随后的激活过程中使阴极的逸出功降低。
目前含钪薄膜的成膜工艺大多采用射频溅射和激光蒸发法。但是前者会导致靶材中氧化钪的分解，因此必须对系统充氧气并严格的控制气体分压，或者采用后氧化工艺，或者采用Sc2O3，W，WO2多靶沉积法等，这些都使得对溅射成膜的条件(包括氧化分压，基片温度，后氧化温度，溅射功率分配等)的控制变得相当困难。而激光蒸发法虽然具有无需对系统引入活性气体即可使Sc在膜内保持完全氧化态，也具有不错的发射特性，但其制作工艺复杂，可控性差，距广泛实用还有较大的距离。
本专利申请提出了创新的研究，所提及的一种薄膜钪钨阴极，是在含钪薄膜的成膜工艺上首次采用直流溅射的方法，并使用钨和钪的化合物为原料制备钪钨靶，在阴极表面溅射沉积一层含钪薄膜，本方法制作工艺简单，可控性强，工艺重复性好。
发明内容
本发明需要解决的技术问题，是针对现有技术中含钪薄膜成膜工艺复杂、可控性差，为此，需要开发一种新的工艺方法，以克服现有技术中的不足。本发明的目的，在于提供一种薄膜钪钨阴极及其制备方法，它是采用直流溅射方式在传统的钡钨扩散阴极上沉积一层钪钨膜，改进现有的成熟扩散阴极工艺条件来制备一种简单、可控并能实用化的大电流密度薄膜钪钨阴极。本发明的技术方案是，一种薄膜钪钨阴极及其制备方法，所述薄膜钪钨阴极，包含阴极基体，基体下部是钼屏蔽筒，屏蔽筒内部为热子组件，其特征在于，阴极基体顶部表面为合成钪钨覆膜。
该薄膜钪钨阴极的制备方法是按照以下工艺步骤进行操作：
a.阴极基体制备，采用常规的钨基体加入铝酸盐；
b.阴极基体与钼支持筒进行装配；
c.在阴极基体上浸渍活性发射物质；
d.阴极表面处理，去除表面残盐；
e.采用直流溅射方式在阴极上沉积一层厚度为200～400nm的钪钨膜。
本发明的有益效果不同于以前的覆膜含钪阴极，本发明中采用直流溅射沉积的方法，虽然刻蚀和覆膜过程中均未向系统充入氧气，但对阴极表面的钪元素Sc2p峰的窄谱研究表明：钪元素呈现为氧化态。
比起已有技术，这种新型薄膜钪钨阴极的特点如下：
1)该阴极制造基体采用了常规的钡钨阴极，在其表面再进行合成钪钨覆膜，工艺可控性强。
2)采用直流溅射沉积方法，无需对系统充入活性气体即可使薄膜中的钪保持氧化态。
3)氧化态钪在阴极表面上分布比较均匀，有利于提高阴极的电子发射能力和改善阴极的发射均匀性。
附图说明
图1为薄膜钪钨阴极的结构示意图
图2为薄膜钪钨阴极的制备工艺流程图
具体实施方式
参照图1，表示一种薄膜钪钨阴极结构示意图，图中1表示阴极基体，它是常规的多孔钨基体加入铝酸盐，在其表面顶部表面进行了合成钪钨覆膜2，其下部是钼屏蔽筒3，屏蔽筒内部为热子组件4。参照图2，表示所述薄膜钪钨阴极制备方法的工艺流程图，其具体实施方式按以下步骤操作：
a.阴极基体制备；
b.将阴极基体与钼支持筒进行装配；
c.将装配好的阴极浸渍活性发射物质，其中活性物质的摩尔比为BaO∶CaO∶Al2O3＝6∶1∶2；
d.阴极表面处理，去除表面残盐；
e.采用直流溅射方式在阴极上沉积一层钪钨膜，厚度约为200～400nm。
将制备出的薄膜钪钨阴极装入试验二极管内900℃b时，阴极稳定后其发射的拐点电流密度优于30A/cm2，950℃b时，阴极稳定后其发射的拐点电流密度优于75A/cm2，1000℃b时由于系统原因我们测到的最高电流密度优于85A/cm2，明显高于M型阴极和钪酸盐阴极，具有很高的电流发射密度。

Claims (2)

1.一种薄膜钪钨阴极及其制备方法，所述薄膜钪钨阴极，包含阴极基体，基体下部是钼屏蔽筒，屏蔽筒内部为热子组件，其特征在于，阴极基体顶部表面为合成钪钨覆膜。
2.根据权利要求1所述该薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，该方法按照以下工艺步骤进行操作：
a.阴极基体制备，采用常规的钨基体加入铝酸盐；
b.阴极基体与钼支持筒进行装配；
c.在阴极基体上浸渍活性发射物质；
d.阴极表面处理，去除表面残盐；
e.采用直流溅射方式在阴极上沉积一层厚度为200～400nm的钪钨膜。
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