CN105645946B - 一种浸渍扩散阴极用含钪铝酸盐及其制备方法 - Google Patents

一种浸渍扩散阴极用含钪铝酸盐及其制备方法 Download PDF

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Abstract

该发明公开了一种浸渍扩散阴极用含钪铝酸盐及其制备方法，属于微波电真空器件制造领域。本发明在5:1:2铝酸盐中加入适量的氧化钪，Sc2O3的质量占总质量的3～7wt.％，获得包含Ba3Al2O6和Ba2ScAlO5的两相结构，使浸渍该种含钪铝酸盐的阴极具有大电流密度发射的性能。同时本发明制备方法简便易操作，适用于工业生产。

Description

一种浸渍扩散阴极用含钪铝酸盐及其制备方法
技术领域
本发明属于微波电真空器件制造领域，具体涉及一种浸渍扩散型热阴极用含钪铝酸盐的制备方法。
背景技术
真空电子器件在信息系统和国防装备中发挥着重要的作用，真空电子器件的研究向着毫米波、亚毫米波甚至太赫兹区域扩展。阴极作为此类器件的核心部件，其性能要求越来越高。阴极作为真空器件的电子发射源，它的性能对器件的功率输出、稳定性、可靠性和寿命等性能有着至关重要的影响。阴极工作中几个重要的指标有：阴极工作温度低、发射电流密度大、可靠性高、阴极寿命长以及预热、启动时间短等。其中，设法提供高密度和高可靠性的工作电流是实现大功率微波器件的最关键技术和重大基础技术。目前，含钪扩散阴极是最有可能达到高频率和大功率的现代微波真空电子器件所需求的热电子发射体，而浸渍型含钪扩散阴极因其具有大发射电流密度和制备工艺简单等优点被广泛关注和使用。传统的浸渍型含钪扩散阴极的制备方式有两种：一是将氧化钪均匀分布至钨海绵基体中，然后浸渍铝酸盐。这种方式制备的阴极具有发射电流密度大的优点，但是制备工艺复杂和重复性较差的缺点严重制约了实际的工程应用。二是将氧化钪直接加入铝酸盐中形成含钪铝酸盐，然后再浸渍至钨海绵基体中。这种方式工艺简单，与传统的浸渍扩散阴极一致，但是长期以来缺乏对含钪铝酸盐的成分和晶体结构认识，导致了阴极电子发射性能的存在差异，进而影响了实际应用的可靠性。
本发明提出了一种新型的含钪铝酸盐，该种含钪铝酸盐具有Ba3Al2O6和Ba2ScAlO5两种有效发射活性成分，具有大电流密度电子发射的能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在5:1:2铝酸盐中加入适量的氧化钪，获得包含Ba3Al2O6和Ba2ScAlO5的两相结构，使浸渍该种含钪铝酸盐的阴极具有大电流密度发射的性能。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
第一步：将足量的分析纯BaCO3、CaCO3、Al(OH)3干燥；
第二步：按摩尔比BaO:CaO:Al2O3＝5:1:2计算BaCO3、CaCO3、Al(OH)3的称量质量，然后根据总质量计算添加Sc2O3的质量，Sc2O3的质量占总质量的3～7wt.％；
第三步：将所有的配料混合均匀；
第四步：将混合均匀后的粉末压制成圆饼状；
第五步：将圆饼状样品高温烧结，烧结温度1350℃；
第六步：烧结结束后，将样品取出研磨成粉末，密封保存。
进一步地，步骤一中是将分析纯BaCO3、CaCO3、Al(OH)3置于鼓风干燥箱中，在120℃的条件下烘干24小时以上。
进一步地，步骤二中Sc2O3的质量占总质量的3％。
进一步地，步骤三中放入玛瑙罐中，利用行星球磨机充分球磨混合，球磨时间24小时以上。
进一步地，步骤五中高温烧结的升温速率为10℃/分钟，保温时间200 分钟。
本发明的有益效果：
本发明制备的浸渍阴极用含钪铝酸盐代替传统的钪酸盐活性发射材料。实验结果表明，采用这种含钪铝酸盐可使浸渍型阴极的直流发射电流密度达到17.6A/cm2,相比于较为广泛的覆膜钡钨阴极，其电流密度提高了约2倍(氧化铈对M型扩散阴极发射性能影响的研究，真空科学与技术学报，2008，298-299)。采用本发明方法可以制备各种规格的浸渍型含钪扩散阴极并易于实现批量生产。因此，本发明可作为制备浸渍型含钪扩散阴极的优选方案。
本发明可用于各类微波电真空器件，如：速调管、行波管、回旋管和磁控管等，也可在空间离子推进器中使用。
附图说明
图1Sc2O3含量分别为3wt.％，5wt.％、7wt.％时含钪铝酸盐的粉末X射线衍射谱。
图2浸渍5:1:2铝酸盐阴极的直流发射电流密度(单位A/cm2)与电压 (单位V)的双对数坐标图。
图3浸渍5:1:2铝酸盐中添加3wt.％Sc2O3阴极的直流发射电流密度(单位A/cm2)与电压(单位V)的双对数坐标图。
图4浸渍5:1:2铝酸盐中添加5wt.％Sc2O3阴极的直流发射电流密度(单位A/cm2)与电压(单位V)的双对数坐标图。
图5浸渍5:1:2铝酸盐中添加7wt.％Sc2O3阴极的直流发射电流密度(单位A/cm2)与电压(单位V)的双对数坐标图。
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，对本发明做进一步详细的说明。
实施例1：5:1:2铝酸盐的制备及电子发射性能
阴极的制备：阴极基体采用25％孔度的钨海绵体，阴极基体与钼支撑筒采用钼钌焊料进行高温钎焊(1995℃)，将热子放入钼支撑筒内，填充氧化铝粉末，高温烧结(1750℃)，发射材料选用5:1:2铝酸盐，将阴极基体倒置于发射材料中，在氢炉中升温至1700℃进行浸渍，浸渍结束后除去表面残余剩盐，最后制成测试用阴极。
电子发射性能的测量：阴极在水冷铜阳极二极管装置中进行电子发射能力测试，测试模式采用直流模式，测试温度为1100℃B(亮度温度)。测试前将阴极在1150℃B激活2小时以上，待发射稳定后进行测试的数据记录。由于采用直流模式会产生电子冷却效应，阴极表面温度会降低，所以测试时均采用温度补偿的方式进行阴极电子发射的测量。附图2为浸渍5:1:2铝酸盐阴极的直流发射电流密度(单位A/cm2)与电压(单位V)的双对数坐标图。按偏离空间电荷限制区的方法确定的电流密度为6.0A/cm2。
实施例2：5:1:2铝酸盐中添加3wt.％Sc2O3后电子发射性能
实验条件：在5:1:2铝酸盐成分中添加3wt.％氧化钪，经过原料混磨和压制等工序后，置于高温马弗炉中烧结温度1350℃，升温速率为10℃/分钟，保温时间200分钟，最后形成含钪铝酸盐。将这三种含钪铝酸盐研磨成粉末，分别进行粉末X射线衍射分析。衍射数据采集的条件为：采样时间1 秒，采样步宽0.02°，布拉格衍射角范围为15°～80°。
X射线衍射数据如附图1。经过物相分析软件对比可知，含钪铝酸盐中均含Ba3Al2O6和Ba2ScAlO5。最为关键的是Ba3Al2O6和Ba2ScAlO5均为有效的电子发射活性物质，进入阴极钨海绵基体后可以钨基体发生高效化学反应，增加阴极的发射电流密度。
阴极的制备与电子发射能力的测量与例1相同。附图3为浸渍5:1:2铝酸盐中添加3wt.％Sc2O3阴极的直流发射电流密度(单位A/cm2)与电压(单位V)的双对数坐标图。由图可以看出，测试所得的伏安特性曲线一直处于空间电荷限制区，最大电流密度已达到17.6A/cm2。
实施例3：5:1:2铝酸盐中添加5wt.％Sc2O3后电子发射性能
实验条件与例2相同，区别在于5:1:2铝酸盐中添加5wt.％Sc2O3。
阴极的制备与电子发射能力的测量与例1相同。附图4为浸渍5:1:2铝酸盐中添加5wt.％Sc2O3阴极的直流发射电流密度(单位A/cm2)与电压(单位V)的双对数坐标图。由图可以看出，偏离点发射电流密度达到9.6A/cm2。
实施例4：5:1:2铝酸盐中添加7wt.％Sc2O3后电子发射性能
实验条件与例2相同，区别在于5:1:2铝酸盐中添加7wt.％Sc2O3。
阴极的制备与电子发射能力的测量与例1相同。附图5为浸渍5:1:2铝酸盐中添加7wt.％Sc2O3阴极的直流发射电流密度(单位A/cm2)与电压(单位V)的双对数坐标图。由图可以看出，偏离点发射电流密度达到9.0A/cm2。
表1给出了未添加Sc2O3含量与不同Sc2O3添加量的含钪铝酸盐的电子发射能力对比。对比实施例与表1，可以清楚的看出，浸渍本发明含钪铝酸盐阴极的发射能力高于浸渍5:1:2铝酸盐阴极的发射能力，特别是浸渍5:1:2 铝酸盐中添加3wt.％Sc2O3阴极的发射能力是浸渍5:1:2铝酸盐的2.9倍。显然，采用本发明的浸渍材料后，阴极的发射能力得到了显著的提升。由此可以看出，在3～7wt.％的范围添加Sc2O3均可以使阴极产生较高的发射电流密度。
表1阴极发射情况对比
。

Claims (3)

1.一种浸渍扩散阴极用含钪铝酸盐的制备方法，包括以下步骤：
第一步：将足量的分析纯BaCO3、CaCO3、Al(OH)3干燥；
第二步：按摩尔比BaO:CaO:Al2O3＝5:1:2计算BaCO3、CaCO3、Al(OH)3的称量质量，然后根据总质量计算添加Sc2O3的质量，Sc2O3的质量占总质量的3～7wt.％；
第三步：将所有配料放入玛瑙罐中，利用行星球磨机充分球磨混合，球磨时间24小时以上，所有的配料混合均匀；
第四步：将混合均匀后的粉末压制成圆饼状；
第五步：将圆饼状样品高温烧结，高温烧结的升温速率为10℃/分钟，保温时间200分钟，烧结温度1350℃；
第六步：烧结结束后，将样品取出研磨成粉末，密封保存。
2.如权利要求1所述的一种浸渍扩散阴极用含钪铝酸盐的制备方法，其特征在于：步骤一中是将分析纯BaCO3、CaCO3、Al(OH)3置于鼓风干燥箱中，在120℃的条件下烘干24小时以上。
3.如权利要求1所述的一种浸渍扩散阴极用含钪铝酸盐的制备方法，其特征在于：步骤二中Sc2O3的质量占总质量的3％。
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