CN103325642B - 一种电子枪中热阴极预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子枪中热阴极预处理方法。该方法包括：将电子枪中热子通电，升温热阴极至预处理温度，该预处理温度至少为900℃；将热阴极在该预处理温度下至少保持1小时。本发明避免了由于热阴极的蒸发而导致的微波真空电子器件性能下降的缺陷，简单易行，成本低。另外本发明还可以加速检验热子的可靠性，从而避免微波器件使用过程中才发现热子短路、热子缺陷、热子焊接点不牢等因素造成热子断路的问题。

Description

一种电子枪中热阴极预处理方法

技术领域

本发明涉及微波真空电子器件技术，尤其涉及一种热阴极预处理方法。

背景技术

微波真空电子器件广泛用于雷达、卫星通信、电子加速器、全球定位、可控热核聚变及未来军事前沿的高功率微波武器等方面，其独特的功能和优越的性能，特别是在大功率和高频段的情况下，是其他器件所不能取代的。历经数十年的发展，虽然常规微波真空电子器件及相关技术的理论已基本成熟，然而现代高技术微波器件对微波信号的功率、频率、带宽等工作特性不断提出新的发展需求，这些需求主要表现在要求更高的频率、更大的功率、更宽的频带、更高的效率和新的工作特性，从而对微波真空电子器件及相关技术的发展提出了新的挑战和发展机遇。而担当电子发射的电子枪又是微波真空电子器件中最为核心的部分，其性能好坏将直接影响微波源的输出性能和寿命，进而影响卫星及高功率微波器件的性能和寿命。

微波真空电子器件中电子枪一般包括热阴极、热子或热子组件、阳极。图1为现有技术电子枪中热阴极-热子组件结构图。如图1所示，这种热阴极是由浸入发射物质的阴极基底2、阴极筒3、阴极支撑筒4、阴极热屏5、挡板6、氧化铝7和热子8组成。从发射物质还原出来的金属钡沿海绵孔道不断地扩散到阴极表面1上，从而降低其功函数，在工作期间表面上的钡损耗可以不断地得到补充。热子组件是将热子8埋在氧化铝绝缘介质7中，这样一方面避免了振动等造成的热子短路，提高了热子的可靠性，另一方面由于热子加热阴极的方式由热辐射给热变成为热传导给热，这样就使热子与阴极之间的温度差从500℃-600℃降到100℃-200℃，从而降低了热子的工作温度，提高了热子的加热效率，避免了由于热子温度过高而造成的热子比阴极更先损坏的弊端。为了防止多孔钨基底中的发射物质向热子组件中渗透而造成短路，在阴极基底与热子组件之间加一隔板6隔开，这样一方面避免了由于发射物质中的金属钡在1000℃左右与氧化铝反应而造成热子的短路，另一方面又避免了在制备热子过程中对阴极基底造成污染而影响阴极的发射水平。为提高加热效率，采用二层热屏4和5，其中最里面一层既是热屏，又是阴极支撑筒。

电子枪的绝缘性能一般与电子枪的结构、热阴极蒸发水平、及热阴极预处理工艺有关。当电子枪的结构、热阴极蒸发水平一定的条件下，影响电子枪绝缘性能的主要因素是热阴极预处理工艺。图2为现有技术电子枪中浸渍钡钨热阴极的蒸发成分图谱。如图2所示，浸渍钡钨热阴极的主要蒸发成分是Ba和少量的BaO，这些活性物质蒸发到电子枪上就会降低电子枪的绝缘性能、增加漏电、引起栅发射、改变接触电位差，从而影响微波真空电子器件的性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个问题，本发明提供了一种热阴极预处理方法，以避免由于热阴极的蒸发而导致的电子枪绝缘性能下降、漏电增加、栅发射增大、接触电位差改变等缺点，制备出性能优良的微波真空电子器件。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种电子枪中热阴极预处理方法。该方法包括：将电子枪中热子通电，升温热阴极至预处理温度，该预处理温度至少为900℃；将热阴极在该预处理温度下至少保持1小时。

(三)有益效果

从上述技术方案可知，本发明具有下列有益效果：

(1)本发明中，避免了由于热阴极的蒸发而导致的微波真空电子器件性能下降的缺陷，简单易行，成本低；

(2)本发明中，通过在正式工作之前，对热子进行加热，还可以提前发现热子出现的故障，保证整台设备的可靠性。

附图说明

图1为现有技术电子枪中热阴极-热子组件结构图

图2为现有技术浸渍热阴极的蒸发成分图谱；

图3A为浸渍热阴极蒸发的钡离子峰强度与热阴极加热时间的关系曲线；

图3B为浸渍热阴极蒸发成分离子峰强度与温度的关系曲线；

图4为采用本发明实施例热阴极预处理方法的多工位电子枪中热阴极预处理装置图；

图5为本发明实施例电子枪中热阴极预处理方法的流程图。

【主要元件符号说明】

1-阴极表面；2-阴极基底；3-阴极筒；4-阴极支撑筒；

5-阴极热屏；6-挡板；7-氧化铝；8-热子；

9-石英钟罩；10-热阴极；11-电极；12-超高真空阀门；

13-超高真空泵机组。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种电子枪中热阴极预处理的方法。该方法包括：

步骤S102，将电子枪中热子和热阴极置于密闭空间内，对该密闭空间抽真空，抽真空后该密闭空间的真空度至少高于1×10^-4Pa；

步骤S104，将电子枪中热子通电，升温热阴极至热阴极工作温度以上，该热阴极加热温度至少为900℃；

步骤S104，在该热阴极加热温度下至少保持1小时。

根据经验公式，热阴极蒸发速率v随时间t的变化满足以下方程：

v＝Kt^-1/2(1)

其中，K是与时间无关而与阴极温度和面积有关的量。由公式1可知，热阴极蒸发速率与时间的开方成反比关系，也就是说热阴极蒸发速率随着加热时间的延续而减小。图3A为热阴极蒸发的钡离子峰强度与热阴极加热时间的关系曲线。由公式1及图3A可知，热阴极加热100小时后其蒸发速率下降一个数量级。

本实施例中，为了得到良好的热阴极处理效果，需要对其进行长时间的加热处理，一般情况下该加热处理时间介于10小时至200小时之间。通过在进行实际应用之前对热阴极进行预处理，可以极大的减小实际应用中热阴极中各种杂质的蒸发，避免由于热阴极蒸发而导致的微波真空电子器件各项性能指标下降的缺陷。

在900℃的低温对热阴极进行预处理，虽然避免了热阴极蒸发所导致的种种问题，但是同样使生产热阴极成品的效率受到影响。根据经验公式，热阴极蒸发物的蒸发速率v与温度T的关系满足方程：

logv＝A-(B/T)(2)

其中，A是与阴极类型和活性物质的覆盖度有关的量；B是与阴极活性物质的蒸发能有关的量。在公示2中，A和B可以看做是常数。

由公式2可知，热阴极蒸发速率的对数与温度倒数成线性关系，也就是说热阴极蒸发大小随着热阴极加热温度的升高而增大。图3B为热阴极蒸发成分离子峰强度与温度的关系曲线。由公式2及图3B可知，热阴极温度每提高100℃，其蒸发速率可增加一个量级。

根据上述理论，在本发明优选的实施例中，热阴极加热温度比电子枪中热阴极的工作温度至少高50℃，最好是热阴极加热处理温度比电子枪热阴极的工作温度高100℃至200℃。一般来讲，电子枪中的工作温度介于800℃度至1400℃之间，则热阴极加热处理温度介于900℃至1500℃之间。举例来讲，如果某一微波管热阴极工作温度为1050℃，工作200小时后绝缘性能变差或出现栅发射，那么热阴极在1150℃的温度下预处理100小时后，微波管热阴极工作温度为1050℃时，工作20000小时后，微波管绝缘性能才有可能变差或出现栅发射。经过申请人的多次试验，预处理温度介于1100至1200之间，预处理温度保持的时间介于10小时至100小时之间，可以得到性能最为优良的电子枪热阴极。

本实施例中，通过增加热阴极加热处理温度，可以大大降低热阴极加热处理时间，提高了微波真空电子器件用热阴极成品的生产效率。

本领域技术人员应当理解，为了防止热阴极在高温下氧化，该热阴极加热处理工艺应当在高真空条件下进行。虽然在通常情况下，真空度为1×10^-4Pa可以满足预处理的要求，真空度最好是5×10^-5Pa以上。

需要注意的是，为了避免在升温过程中骤热对热阴极的结构性能产生不利影响，上述步骤S104中，对电子枪热阴极的升温过程应当是缓慢加温，升温速率低于50℃/分钟，最好低于30℃/分钟。

在微波真空电子器件中，电子枪中的热子的螺旋之间、热丝与阴极筒之间都有可能出现距离过近的问题，这样电子枪在工作一段时间后热子有可能出现短路而烧断热子，通过电子枪中热阴极的预处理工艺还可以加速检验热子的可靠性从而避免微波器件使用过程中才发现热子短路、热子缺陷、热子焊接点不牢等因素造成热子断路的问题。

下面给出一种应用本发明实施例的实验室具体工序。图4为采用本发明实施例热阴极预处理方法的多工位电子枪中热阴极预处理装置图。该装置由石英钟罩9、热阴极10、电极11、超高真空阀门12和超高真空泵机组13组成。将阴极10的热子引线固定于电极11上，盖上石英钟罩9，打开高真空阀门12，利用超高真空泵机组13对石英钟罩9抽真空。

图5为本发明实施例电子枪中热阴极预处理方法的流程图。参照图4和图5，本实施例电子枪热阴极预处理方法包括：

步骤S302，打开放气阀，使石英钟罩内充满大气；

步骤S304，打开石英钟罩，将电子枪中阴极的热子引线固定于电极上；

步骤S306，检查石英钟罩磨口处，橡皮垫上是否干净，如不干净用酒精棉擦干净，

步骤S308，抹上真空硅脂，盖上石英钟罩；

步骤S310，关上放气阀，打开机械泵，开启热偶真空计，至热偶真空计读数低于2Pa时，关闭低真空阀门，缓慢打开高真空阀门；

步骤S312，打开电离真空计，当真空计指示低于5×10^-5pa时，电子枪灯丝缓慢加电压，在升温过程中，保证真空计的指示不高于1×10^-4Pa，以保证升温速率低于30℃/分钟；

步骤S314，接通红外测温仪电源，将镜头对准热阴极面并聚焦，镜头距离热阴极面距离在0.6-0.8m；当热阴极温度升高到1100℃-1200℃时，保持100小时；

步骤S316，电子枪中热阴极预处理完成后，待热阴极冷却1小时后关闭高真空阀，打开低真空阀，再打开放气阀，打开石英钟罩，取出电子枪，放入干燥缸，石英钟罩内如有蒸发物，对其进行化学清洗。

本发明利用电子枪中热阴极蒸发的两个特点，对其进行热处理，从而避免了热阴极的蒸发而导致的微波真空电子器件绝缘性能下降、漏电增加、栅发射增大、接触电位差改变等缺点，制备出性能优良的微波真空电子器件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电子枪中热阴极预处理方法，包括：

将电子枪中热子和热阴极置于密闭空间内，对该密闭空间抽真空，抽真空后该密闭空间的真空度高于1×10^-4Pa；

将电子枪中热子通电，升温热阴极至预处理温度，该预处理温度至少为900℃；

将热阴极在该预处理温度下保持，保持时间介于1小时至200小时之间。

2.根据权利要求1所述的电子枪中热阴极预处理方法，其中，所述预处理温度介于900℃至1500℃之间。

3.根据权利要求2所述的电子枪中热阴极预处理方法，其中，所述预处理温度比电子枪中热阴极的工作温度至少高50℃。

4.根据权利要求3所述的电子枪中热阴极预处理方法，其中，所述预处理温度比电子枪中热阴极的工作温度高100℃。

5.根据权利要求2所述的电子枪中热阴极预处理方法，其中，所述预处理温度介于1100℃至1200℃之间；所述预处理温度保持的时间介于10小时至100小时之间。

6.根据权利要求1所述的电子枪中热阴极预处理方法，其中，所述对密闭空间抽真空的步骤中：

抽真空后该密闭空间的真空度高于1×10^-5Pa。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的电子枪中热阴极预处理方法，其中，所述将电子枪中热阴极升温至预处理温度的步骤中，热阴极的升温速率低于50℃/分钟。

8.根据权利要求7所述的电子枪中热阴极预处理方法，其中，所述热阴极的升温速率低于30℃/分钟。