CN104505697B - 抗溅射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗溅射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片，其特征在于，它是由按重量百分比为钨（98‑50）%、稀土（50‑2）%的比例合成的材料制成，所述阴极中稀土成份含量沿外围到轴心丰度渐次增高。本发明还公开了所述的抗溅射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片的制备方法，它采用多次的轴向热压的方法，本发明制备的产品具有功率大，使用寿命长，性能稳定的优点。

Description

抗溅射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光光源技术领域，具体是涉及激光发光源阴极的发射阴极贴片。

背景技术

现有技术的激光光源一般是在阴极电极头上加载合金贴片层形成发射层，国外有采用非稀土低电子逸出功如钡锶钙合金，但其密度低，且其易挥发，而发射层的密度和密度分布是影响其性能寿命的重要因素，密度越大中心密度越高，寿命越长，更能达到大功率要求，为了提高发射性能，人们在阴极中添加稀土元素，但由于粉末冶金掺杂稀土加工工艺的局限，稀土的比例最高只能达到2％，若高比例添加则会出现强度的密度不够，电子发射性能不好，因而在阴极贴片中尚没有添加稀土元素；现有工业用激光灯管由于阴极的密度及热电子发射元素在阴极体内分布上存在缺陷，当激光器的功率不断加大时，其阴极的发射能力难以达到同步的要求；

针对现有航天点火器激光光源，由于阴极易损耗，发射能力不够，造成了中后期使用过程中整套光源因阴极的工作引起飘弧而发生爆炸，从而带来经济损失及整个航天升空启动的不确定性，其损失巨大，一次爆炸可能会造成数百到上千万的经济损失；

针对激光武器，也会出现阴极热电子大功率发射时飘弧，无法集束的问题，难以满足使用的需要。

目前，阴极的加工一般是采用方法是稀土加钨的压延法，该方法采用旋锻造从外园柱的外围施压，使得电极发射层沿轴向延伸，为了得到最佳的发射元素，将电极发射层从大直径到小直径，压缩率达到80－90％，这种加工方法的不足在于其密度是外紧内松，阴极的外围稀土丰度远高于内轴，离中心越近，丰度越稀，如图1所示，从而引起热电子发射偏向边缘概率加大，引起飘弧风险。长期以来人们并没有意识到这一问题，从而使得问题始终无法解决。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术之不足而提供一种解决激光光源寿命长、满足功率需要性能稳定的激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片。

本发明还提供一种上述阴极贴片的制备方法。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：一种抗濺射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片，其特征在于，它是由按重量百分比为钨(98-50)％、稀土(50-2)％的比例合成的材料制成。

进一步地，所述阴极贴片中稀土成份含量沿外围到轴心密度渐次增高，其面端面成圆弧状，中心突起圆弧。

一种抗濺射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片的制备方法，其特征在于，它采用多次的轴向热压的方法，使得在多次的轴向热压过程中的稀土成份的丰度在中轴线部分远高于外径部分，由外到内渐次增加。

其具体工艺如下：(1)、加稀土钨合金烧结成长圆柱形，采用粉 末冶金法；

(2)、置入一个中频感应线圈全程喷氢气保护，预热渐次升温；

(3)、十分钟后推入模具，其内腔直径大于材料直径5-10％，迅速用空气锤2000-3000磅下压/每秒1-3次，共多次，然后将料压实模壳，将对合状模壳拉开、落料；

(4)、用机械手将料抓入感应圈重复加热1400-1700度6-15分钟时，更换新的内腔直径大于上次加工的材料直径5-10％模套、2400℃-2800℃保温，重复多次后，拿出进高频炉退火6-8小时，每升200℃停留0.5-1.5小时，再重复上述多次；由柱体压成圆饼形，加工成压缩率大于60％，材料已到理论密度的99％以上时停止锤压延；

(5)、进行消应力再结晶2650-2800℃退火保温3小时，升温时渐次递增每小时200℃，微晶相使晶粒大于原始晶粒十倍以上呈大小均匀；

(6)切片进行线割清洗、烧氢，采用碱煮酸中和离子水超声无水酒精脱水，烘干1400-1600℃烧氢气，即得到本发明所需要的阴极头合金。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

本发明采用了添加稀土的阴极贴片，与传统采用非稀土合金贴片相比，具有更好的发射性能，同时通过采用由稀土和钨材料制成的阴极贴片的轴向加工方式，在加工过程中经压力使材料层外延，致使在中轴线上的稀土材料丰度(密度)远大于外围，在阴极贴片工作时，热电子集中在中心线，其击穿既快以准确，能彻底消除飘弧隐患，延 长使用寿命。

附图说明

以下结合附图作进一步说明：

图1是传统的激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片晶相结构示意图，其中小圈圈代表稀土如镱元素的分布规律；

图2是本发明的激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片晶相结构示意图，其中小圈圈代表稀土如镱元素的分布规律；

图3材料加工前晶相结构示意图，其中小圈圈代表稀土如镱元素的分布规律；

图4为传统加工工艺方法示意图；

图5为本发明加工方法示意图；

图6为采用本发明的泵浦激光灯性能与传统产品性能对比示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详述。

本发明工艺如下：

1、加稀土钨合金烧结成长圆柱形，采用粉末冶金法；本发明稀土元素采用镱元素；

2、置入一个中频感应线圈全程喷氢气保护，预热渐次升温

0–100–300-500–800–1200-1600℃

十分钟后推入模具，其内腔直径大于材料直径10％，迅速用空气锤2500磅下压/每秒1.5次，共六次。将料压实模壳将对合状模壳 拉开、落料。用机械手将料抓入感应圈重复加热1600度10分钟时，更换模套10％放直径、2500℃保温，重复5次后，拿出进高频炉退火6-8小时，每升200停留1小时，再重复上述5次。由柱体压成圆饼形，加工成压缩率大于60％，材料已到理论密度的99％以上时停止锤压延，进行消应力再结晶2650-2800℃退火保温3小时，升温时渐次递增每小时200℃，微晶相使晶粒大于原始晶粒十倍以上呈大小均匀。

切片进行线割清洗、烧氢，采用碱煮酸中和离子水超声无水酒精脱水，烘干1500℃烧氢气，即得到本发明所需要的阴极头合金。

如图2所示，由于贴合在电极头上形成发射层。在切片相图中，十万倍电子扫描发现圆片状电极发射片晶粒呈颗粒树年轮状，由核心向外扩展中，稀土丰度(密度)与压缩率为正比向外围渐次变疏，与传统电极正好相反。实际应用过程中，工业激光机灯阴极园片直径2mm-15mm；

其图形底径2-10mm；

航天点火器阴极头直径10mm-200mm；

激光武器阴极头直径100mm-1000mm；

其最后加工为，与阴极结合后，其面端面成圆弧状，中心突起圆弧。

现就传统加工方法与本发明加工方法两种方法对于物料发射电子能力的影响作如下比较：

传统方法中一般对于钨合金采用的加工方法为旋锻，旋锻是从钨杆的表面先变形，到一定变形量之后中间部分才开始变形，于是表面 由于总变形量大于中心部位，造成表面密度大于中心部位的密度，密度大的地方，其单位体积内所包含的稀土元素质量高于密度小的地方，如图1，而钨合金发射电子的时候是从中心部位开始的，造成其中心部位发射电子能力弱于表面部分。其加工状态如图4：

本发明加工方法为让材料横向变形，这样，中间部分的变形量大于边缘部分的变形量，因此中间部分的稀土密度大于边缘部分的密度如图2，已达到中间部分电子发生能力高于边缘部分的效果。改进之后的加工状态如图5：试验证明，采用上述加工工艺的产品性能，其明显优于传统产品，如图6所示，传统产品由于其边缘产品的稀土分布问题，产品使用过程中罩体边缘易产生变黑现象，即发生濺射，影响使用效率，本发明能有效提高使用寿命，在1000H时还能达到80％以上的效率。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种抗濺射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片，其特征在于，所述阴极贴片是由按重量百分比为钨98％-50％、稀土50％-2％的比例合成的材料制成；

所述阴极贴片中稀土成份含量沿外围到轴心丰度渐次增高，其面端面成圆弧状，中心突起圆弧。

2.一种如权利要求1所述的抗濺射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片的制备方法，其特征在于，它采用多次的轴向热压的方法，使得在多次的轴向热压过程中的稀土成份的丰度在中轴线部分远高于外径部分，由外到内渐次增加。

3.根据权利要求2所述的抗濺射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片的制备方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：

(1)、加稀土钨合金烧结成长圆柱形，采用粉末冶金法；

(2)、置入一个中频感应线圈全程喷氢气保护，预热渐次升温；

(3)、十分钟后推入模具，其内腔直径大于材料直径5-10％，迅速用空气锤2000-3000磅下压/每秒1-3次，共多次，然后将料压实模壳，将对合状模壳拉开、落料；

(4)、用机械手将料抓入感应圈重复加热1400-1700度6-15分钟时，更换新的内腔直径大于上次加工的材料直径5-10％模套、2400℃-2800℃保温，重复多次后，拿出进高频炉退火6-8小时，每升200℃停留0.5-1.5小时，再重复上述多次；由柱体压成圆饼形，加工成压缩率大于60％，材料已到理论密度的99％以上时停止锤压延；

(5)、进行消应力再结晶2650-2800℃退火保温3小时，升温时渐次递增每小时200℃，微晶相使晶粒大于原始晶粒十倍以上呈大小均匀；

(6)切片进行线割清洗、烧氢，采用碱煮酸中和离子水超声无水酒精脱水，烘干1400-1600℃烧氢气，即得到本发明所需要的阴极头合金。

4.根据权利要求3所述的抗濺射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片的制备方法，其特征在于，所述第(2)步骤中，预热渐次升温温度为：

0℃–100℃–300℃-500℃–800℃–1200℃-1600℃。

5.据权利要求3所述的抗濺射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片的制备方法，其特征在于，所述第(3)中步骤中，为十分钟后推入模具，模具内腔直径大于材料直径10％，迅速用空气锤2500磅下压/每秒1.5次，共六次，然后将料压实模壳将对合状模壳拉开、落料。

6.据权利要求3所述的抗濺射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片的制备方法，其特征在于，所述第(4)中步骤中，是用机械手将料抓入感应圈重复加热1600度10分钟时，更换新的内腔直径大于上次加工的材料直径10％模套、2500℃保温，重复5次后，拿出进高频炉退火6-8小时，每升200停留1小时，再重复上述5次；由柱体压成圆饼形，加工成压缩率大于60％，材料已到理论密度的99％以上时停止锤压延。

7.根据权利要求3所述的抗濺射激光泵浦稀土合金热电子发射阴极贴片的制备方法，其特征在于，所述第(6)中步骤中，是采用1500℃烘干烧氢气。