CN102683135B - 天鹅绒复合阴极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于强流电子发射的天鹅绒复合阴极及其制备方法，在天鹅绒阴极背面和正面均镀覆一层高熔点金属薄膜，所镀覆高熔点金属薄膜为镀覆在天鹅绒阴极材料的纤维表面。其制备方法是将天鹅绒阴极材料置于真空电子束蒸发沉积镀膜仪中，启动聚焦电子束，使其轰击高熔点金属靶材表面20～40分钟，自然冷却，将天鹅绒阴极材料位置换一面，重复以上步骤完成背面和正面镀覆。本发明的天鹅绒复合阴极材料可提高电子发射过程中的电流—电压一致性，有效的抑制或削弱阴极材料电流发射过程中等离子体的产生，从而改善阴极材料的真空放气问题和不均匀性。而与传统金属阴极相比，制作容易，且有更低的发射阈值。

Description

天鹅绒复合阴极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于强流电子发射的石墨阴极材料，特别是天鹅绒复合阴极及其制备方法。

背景技术

强流发射阴极在许多高电压（> 300 kV）、大电流（> 1 kA）电子束驱动源系统中被广泛应用，如高功率微波、自由电子激光、强流X光、受激准分子激光等。文献中经常研究和报道的强流发射阴极材料主要包括石墨、金属、碳纤维以及天鹅绒等，阴极材料的选用将极大地影响着电子束驱动源系统的设计及结构，是整个源系统构建的关键环节之一，尤其在高功率微波器件中更是设计和建立高功率微波源最关键的问题之一。美国在高功率微波源研究方面取得了较快的发展，就很大程度上得益于在阴极材料的选择与制备方面所进行的一系列创新性工作。俄罗斯在强流发射阴极材料及制备技术研究取得重大进展的基础上，也成功建立起一系列高水平的脉冲高功率微波源装置。

在众多强流发射阴极材料中，天鹅绒材料由于容易使用，同时具有启动快、发射阈值低和发射较均匀等特点，在低阻器件中得到了较好的应用。然而，由于天鹅绒阴极在脉冲放电过程中的等离子体放电容易造成二极管电压升高，给器件的有效运行带来了一定限制；同时脉冲过程中产生的等离子体间隙闭合问题也会引起二极管阻抗的明显变化，因而减弱慢波结构中的束波耦合；此外，等离子体的不均匀发射以及发射的不可重复性等问题也会破坏器件的正常运行并缩短阴极的使用寿命。为此，研究人员一方面致力于寻求天鹅绒阴极的替代材料如碳纤维、铁电体和石墨等，但试验结果表明新材料的实际运行特性相较天鹅绒各有优劣；另一方面，从简便和不改变现有阴极及整个源系统结构的更为实用的技术途径出发，仍希望在保留天鹅绒阴极的情况下，进行一定的表面处理，从而改善天鹅绒阴极的真空放气问题以及阴极等离子体的不均匀性和不可重复性问题。其中，CsI表面改性天鹅绒阴极是一种最常见的改善天鹅绒阴极的方法，通过表面涂覆CsI可以有效的削弱阴极等离子体的产生，控制阴极等离子体的不均匀性，但由于CsI自身极其容易吸潮，不利于改性天鹅绒阴极的日常保存和使用；并且CsI改性的天鹅绒阴极自身仍未典型的介电型阴极材料，并非理想的导电型阴极材料。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种在强流电子发射中电流—电压一致性较高，能有效的抑制或削弱阴极材料电流发射过程中等离子体的产生，从而改善阴极材料的真空放气问题和不均匀性的天鹅绒复合阴极及其制备方法。

本发明的解决方案是：一种天鹅绒复合阴极，其点是在天鹅绒阴极材料背面和正面均镀覆一层高熔点金属薄膜，所镀覆高熔点金属薄膜为镀覆在天鹅绒阴极材料的纤维表面。

本发明的解决方案中高熔点金属薄膜为金属钨薄膜或金属钼薄

膜。

天鹅绒复合阴极的制备方法，其特点是包括以下步骤：

a、将天鹅绒阴极材料置于真空电子束蒸发沉积镀膜仪中，抽

真空至真空度1.0 ~ 7.0× 10^-3 Pa，将天鹅绒阴极加热至200 ~ 300℃；

b、启动聚焦电子束，使其轰击高熔点金属靶材表面20 ~ 40

分钟，聚焦电子束流密度为200 ~ 300 mA，然后自然冷却；

c、将天鹅绒阴极材料在真空电子束蒸发沉积镀膜仪中位置换一面，重复以上步骤（a）~（b），完成背面和正面镀覆。

本发明的优点：本发明中采用高熔点金属的电子束蒸发镀膜技术，在传统天鹅绒阴极材料的正面和背面镀覆一层致密的金属薄膜，从而形成高熔点金属-天鹅绒的导电型复合阴极材料。本发明的天鹅绒复合阴极可提高电子发射过程中的电流—电压一致性，有效的抑制或削弱阴极材料电流发射过程中等离子体的产生，从而改善阴极材料的真空放气问题和不均匀性。而与传统金属阴极相比，制作容易，且有更低的发射阈值。

附图说明

图1是传统天鹅绒阴极(a) 与本发明 (b)的对比SEM照片；

图2是传统天鹅绒阴极(a)与本发明 (b)的强流电子发射典型电压-电流波形对比图。

具体实施方式

本发明实施例一：将天鹅绒阴极材料正面置于真空电子束蒸发沉积镀膜仪的样品架上，抽沉积室的真空至真空度为3.0 × 10^-3 Pa，并加热天鹅绒阴极至250 ℃；启动聚焦电子束，使其轰击石墨坩埚中的金属钨靶，调节电子束束流密度至300 mA；待电子束持续轰击钨靶30分钟后，关闭聚焦电子束，再关闭真空系统；将天鹅绒阴极在真空电子束蒸发沉积镀膜仪中位置换一面，再重复以上步骤以便在天鹅绒阴极的背面镀覆上金属钨的薄膜，从而获得高熔点金属钨薄膜-天鹅绒的复合阴极材料。

实施例二：

将天鹅绒阴极材料正面置于真空电子束蒸发沉积镀膜仪的样品架上，抽沉积室的真空至真空度为3.0 ×10^-3 Pa，并加热天鹅阴极至250 ℃；启动聚焦电子束，使其轰击石墨坩埚中的金属钼靶，调节电子束束流密度至300 mA；待电子束持续轰击金属钼靶30分钟后，关闭聚焦电子束，再关闭真空系统；将天鹅绒阴极在真空电子束蒸发沉积镀膜仪中位置换一面，再重复以上步骤以便在天鹅绒阴极的背面镀覆上金属钼的薄膜，从而获得高熔点金属钼薄膜-天鹅绒的复合阴极材料。

实施例三：

将天鹅绒阴极材料正面固定于真空电子束蒸发沉积镀膜仪的样品架上，抽沉积室的真空至真空度为1.0 × 10^-3 Pa，并加热天鹅阴极至300 ℃；启动聚焦电子束，使其轰击石墨坩埚中的金属钨靶，调节电子束束流密度至250 mA；待电子束持续轰击钨靶40分钟后，关闭聚焦电子束，再关闭真空系统；将天鹅绒阴极在真空电子束蒸发沉积镀膜仪中位置换一面，再重复以上步骤以便在天鹅绒阴极的背面镀覆上金属钨的薄膜，从而获得高熔点金属钨薄膜-天鹅绒的复合阴极材料。

图1中从SEM照片对比来看，镀覆金属钨薄膜后基本上并未改变天鹅绒自身的纤维状结构，说明所有的金属钨薄膜基本上是镀覆在天鹅绒的单根纤维之上的，而不是在表面形成一种致密的层状薄膜。

图2中在双脉冲测试条件下，其中深色实线为二极管电压曲线，浅色空心线为阴极发射电流曲线，传统天鹅绒阴极材料（图2b）的第一个脉冲和第二个脉冲的发射电流的电压—电流之间的一致性较差，第二个脉冲电流强度明显大于第一个脉冲电流强度（在脉冲1电压强度大于脉冲2电压强度的条件下），说明在该种条件下，天鹅绒阴极发射是典型的强电场作用下的场致等离子发射，且当第二个电压脉冲到来时，第一个脉冲发射时阴极表面附近的等离子体还没有完全复合，可能在局部有较大的密度分布，该部分的等离子体在外电场作用下迅速得到增强，从而形成局部高密度等离子体。而高熔点金属钨薄膜-天鹅绒复合阴极（图2a）的第一个脉冲和第二个脉冲的发射电流的电压—电流之间的一致性较好，说明采用表面镀覆金属钨薄膜的方式，在多脉冲条件下，可以有效地抑制或削弱场致等离子体的产生，从而减小前一个脉冲的等离子体对后一个脉冲发射的影响。

Claims (3)

1.一种天鹅绒复合阴极，其特征在于在天鹅绒阴极材料背面和正面均镀覆一层高熔点金属薄膜，所镀覆高熔点金属薄膜为镀覆在天鹅绒阴极材料的纤维表面。

2.根据权利要求1所述的天鹅绒复合阴极，其特征在于高熔点金属薄膜为金属钨薄膜或金属钼薄膜。

3.一种如权利要求1所述的天鹅绒复合阴极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

a、将天鹅绒阴极材料置于真空电子束蒸发沉积镀膜仪中，抽真空至真空度1.0 ~ 7.0 × 10^-3 Pa，将天鹅绒阴极材料加热至200 ~ 300℃；

b、启动聚焦电子束，使其轰击高熔点金属靶材表面20 ~ 40分钟，聚焦电子束流密度为200 ~ 300 mA，然后自然冷却；

c、将天鹅绒阴极材料在真空电子束蒸发沉积镀膜仪中位置换一面，重复以上步骤（a）~（b），完成背面和正面镀覆。