CN105810536A - 采用组合式冷阴极头的磁控管及冷阴极体的生产方法 - Google Patents

Abstract

该发明一种采用组合式冷阴极头的磁控管及冷阴极头中的冷阴极体的生产方法，磁控管包括含上、下管壳，输入、输出端陶瓷筒，排气管头，阳极筒及上、下磁极在内的磁控管壳体，设于阳极筒内的叶片，含上下屏蔽帽、由电极丝和冷阴极体构成的组合式冷阴极头及电源连接杆在内的阴极组件，天线；冷阴极体的生产方法包括：备料及球磨混合，压制成型，烧结。该发明将传统热阴极的灯丝作为电极丝、又作为二次电子发射体，冷阴极体在阴‑阳极的高压作用下，形成场致发射产生一次电子，工作时电源连接杆与下屏蔽帽连接部分的温度低于500℃。因而具有发射流大且发射稳定，效率高、电磁兼容性能好、寿命长、可靠性高，生产工艺间单、可靠，成本低等特点。

Description

采用组合式冷阴极头的磁控管及冷阴极体的生产方法

技术领域

本发明涉及一种微波发生用磁控管技术领域，特别是一种采用组合式冷阴极头的磁控管及冷阴极头中的冷阴极体的生产方法，采用该组合式冷阴极头发射系统的磁控管，尤其适合用作包括家用微波炉在内的微波应用设备的微波发生源。

背景技术

磁控管是应用最广泛的电子真空管，因其具有体积小、功率大、方便使用等一系列优点，用作包括家用微波炉在内的微波应用设备的微波发生源。磁控管结构中的阴极发射系统是整个管子的心脏部分，阴极的工作特性对管子的性能和寿命影响极大,故改进阴极的工作特性已成为其重要的研究内容；常规热阴极磁控管的阴极是由金属钨、钍钨类钨合金等具有发射电流大、耐高温和发射稳定等优良性能的材料制作而成。

在专利号为201310511985X、发明名称为《一种微波加热用磁控管管芯》的专利文件中，公开了一种采用传统热阴极的磁控管的结构，如背景技术及图1中所示，该磁控管中的热阴极包括：钍钨丝或纯钨丝绕成的螺旋形热阴极发射体1-1，阴极发射体的两端分别由上、下屏蔽帽固定，上屏蔽帽1-2固定于中心支撑及上电极电源连接杆1-4的上端，下屏蔽帽1-3固定于边支撑及下电极电源连接杆1-5的上端；边支撑及下电极电源连接杆、中心支撑及上电极电源连接杆的上端分别与下屏蔽帽、上屏蔽帽对应焊接成一体，而两杆体下部则分别与高压陶瓷密封连接孔经金属化及镍镀处理后的连接部位对应密封焊接成一体。此类传统磁控管正常工作时需要给灯丝提供一定的电流，中心支撑及上电极电源连接杆与边支撑及上电极电源连接杆之间需要采用40W左右的功率对阴极进行加热，当阴极在温度升高到800-1000℃的条件下发射电子，电子在磁场作用下回轰阴极并将使其温度升高到1800℃左右；在如此高的温度下工作会带来一系列的问题，如传统磁控管工作时，特别是在间断工作时反复经受高温时膨胀、冷却时收缩这类不均匀应力的影响，将会使与电源连接杆密封连接的高压陶瓷变形，严重影响电源连接杆与高压陶瓷之间的密封性，使磁控管真空度下降，进而影响磁控管的性能和寿命；此外，这种采用热阴极工作特性的磁控管，在处于高温工作状态时也会给发射体内部的电子以附加能量，使一些电子越过发射体表面势垒逸出而生成次级谐波和电磁噪声，严重影响磁控管的性能。

在“薄膜场致发射冷阴极”(见《光电子学技术》1989年04期，作者：陈丽芳等人)一文中报道的一个采用三夹层结构冷阴极的微电子源，具有室温工作、无阴极功耗、无预热延迟等优点，但是它采用的是平面发射结构，需要添加栅极，且发射电流小，不能提供二次电子发射；而在申请号为CN201510675065.0，发明名称为《一种微波调制冷阴极微型阵列式辐射源及其实现方法》的专利文件中公开的碳纳米管冷阴极同样也是采用平面发射结构，不能提供二次电子发射，不适宜于应用在磁控管中；在“Ku波段冷阴极磁控管的研制”(参见：中国电子学会真空电子学分会—第十四届年会，2004，TN123，作者：周彩玉等人)一文中则公开了一种采用冷阴极来提供一次电子发射，并利用一次电子回轰二次发射体的表面，产生二次电子，但由于其采用的是合金阴极结构，因合金阴极表面微尖端场发射提供的一次电子能力不足，大脉冲发射输出功率仅在50kW左右，只适宜于在Ka波段、Ku波段、X波段的中、小管子中使用。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种采用组合式冷阴极头的磁控管及冷阴极体的生产方法。该磁控管工作时不需要对阴极预热、可瞬时启动，以达到磁控管发射流大且发射稳定，效率高、电磁兼容性能好、可靠性高，以及能耗低、寿命长等目的。

本发明的解决方案针对背景技术存在的缺陷，本发明采用石墨烯、碳纳米管、氧化锌纳米线中的一种或几种与金属粉末经混合、压制、烧结而制成冷阴极体，石墨烯等纳米材料具有良好的导电性、热稳定性、化学稳定性，长径比大，曲率半径小，机械强度高，电子发射能力强等优点，但是它们不能提供二次电子发射；因此，本发明保留背景技术中的热阴极发射体的钍钨丝或纯钨丝并将其既作为电极丝、又作为二次电子发射体绕于冷阴极(烧结)体上，从而构成组合式冷阴极头。该组合冷阴极头磁控管的工作原理是：冷阴极发射体在阴-阳极的高压作用下，形成场致发射产生一次电子，电子在磁场的作用下回轰组合式阴极头，从而激发电极丝(钨丝或钨合金丝)发射二次电子，如此往复，从而实现灯丝免预热、瞬时启动和持续发射电子功能；该解决方案既省去了用于给灯丝预热的高电位灯丝变压器等装置、又省去了采用贵金属钼制作的中心支撑及上电极电源连接杆，既简化了阴极组件的结构，又减轻了发射机体积和重量，降低磁控管密封处理的难度。本发明即以此实现其发明目的，制成性能稳定的兼备冷发射和二次电子发射能力强的组合式冷阴极头磁控管。因而，本发明采用组合式冷阴极头的磁控管，包括含上、下管壳，输入、输出端陶瓷筒，排气管头，阳极筒及上、下磁极在内的磁控管壳体，设于阳极筒内的叶片，含上下屏蔽帽、阴极头及电源连接杆在内的阴极组件，天线；关键在于阴极组件中的冷阴极头则是由石墨烯、碳纳米管、氧化锌纳米线中的一种或几种与金属粉末合制成的冷阴极体及绕于冷阴极体圆柱面上的既作输入电极、又作二次电子发射体的钨或钨合金电极丝一并构成组合式冷阴极头；冷阴极体通过上、下两端面分别与上屏蔽帽及下屏蔽帽紧固连接，而绕于冷阴极体柱面上的电极丝的上、下端亦分别与上、下屏蔽帽对应焊结固定并连同电源连接杆一并组成阴极组件，整个阴极组件通过与下屏蔽帽紧固成一体的电源连接杆穿过下管壳及输入端陶瓷筒并与输入端陶瓷筒密封紧固、同时将固定于上、下磁极之间的阳极筒的中心线位置处，其余，下管壳与输入端陶瓷筒及下磁极之间、输出端陶瓷筒与排气管头及上管壳上端之间、上管壳下端与上磁极之间均分别对应密封固定，上、下磁极亦分别与阳极筒的上、下口部密封固定。

所述金属粉为Cu粉、Zn粉、或Cu粉、Zn粉和铝粉。所述冷阴极体的直径φ2-5mm、高6-15mm的圆柱体。

所述冷阴极体的生产方法，包括：

步骤1.备料：将占冷阴极体重量3-7wt％的电子发射体材料及占冷阴极体重量97-93wt％金属粘合材料分别称量待用，其中：电子发射体材料为石墨烯、氧化Zn纳米线、碳纳米管中的一种或几种，金属粘合材料为粒径20-50μm的铝粉和Cu粉、Zn粉或Cu粉和Zn粉；

步骤2.球磨混合：以混合料的重量百分比计，将3-7wt％的电子发射体材料及97-93wt％金属粘合材料置于球磨机内，球磨混合90-180分钟，得混合料，球磨时的球料比7:6-10；

步骤3.压制成型：分别将步骤2所得混合料置于模具中，在20MPa-60MPa的压力下压制成圆柱形坯体；

步骤4.烧结：将步骤3压制成型的坯体置于真空炉内，在800-950℃的温度环境下烧结30-90分钟，随炉冷却后即得本发明所述冷阴极体。

安装时将钨或钨合金丝等间隔绕于冷阴极体的圆面上作为电极丝，再将冷阴极体的两端分别紧固于上、下屏蔽帽上并同时将电极丝的两端对应焊结于上、下屏蔽帽上，连同与下屏蔽帽紧固成一体的电源连接杆组成组合式冷阴极组件。

上述步骤1所述石墨烯的厚度为1-20nm，氧化Zn纳米线的直径为φ1-100nm、长5-50μm，碳纳米管直径为φ4-100nm、长为1-20μm，当采用石墨烯、氧化Zn纳米线、碳纳米管中的几种材料作电子发射体材料时各材料之间的比例均为1:1。而所述金属粘合材料，当采用铝粉和Cu粉、Zn粉作金属粘合材料时，各粉料之间的比例为铝粉:Cu粉:Zn粉＝1:1-4:1-2，而当采用Cu粉和Zn粉作金属粘合材料时，Cu粉:Zn粉＝1:0.4-0.8。在步骤3中所述20-60MPa的压力下压制成圆柱形坯体，圆柱形坯体的直径为φ2-5mm、高6-15mm。

本发明组合式冷阴极体的磁控管综合了冷阴极和传统热阴极可发射二次电子的优点，即将传统热阴极的灯丝作为电极丝、又作为二次电子发射体，冷阴极体在阴-阳极的高压作用下，形成场致发射产生一次电子。因此，工作启动时电极丝不需预热、工作时电源连接杆与下屏蔽帽连接部分的温度低于500℃；本发明利用冷阴极体较好的场致发射能力，发射一次电子，再通过一次电子回轰激发电极丝产生二次电子发射，从而使采用该组合式冷阴极头的磁控管具有发射流大且发射稳定，效率高、电磁兼容性能好，寿命长，可靠性高，冷阴极体的生产工艺间单等优点；加之碳纳米管、石墨烯、氧化Zn纳米线以及作为作粘合材料的金属粉均以已产业化并可通过市售购得，材料的成本较低。因此本发明采用组合式冷阴极头的磁控管具有发射流大且发射稳定，效率高、电磁兼容性能好、寿命长、可靠性高，生产工艺间单、可靠，成本低等特点。

附图说明

图1为传统热阴极磁控管结构及阴极组件结构示意图(剖视图)；

图中：1.管芯，1-1热阴极发射体，1-2、1-3：阴极发射体的上、下屏蔽帽，1-4中心支撑及上电极电源连接杆,1-5边支撑及下电极电源连接杆，1-6磁控管下磁极，1-7磁控管下管壳(管心外壳)，1-8高压陶瓷，2.磁控管其余部分，2-1磁控管阳极筒，2-2叶片，2-3天线，2-4输出端陶瓷筒，2-5排气管头，2-6上磁极，2-7上管壳。

图2为本发明组合式冷阴极头的磁控管及冷阴极组件结构示意图(剖视图)；

图3为本发明冷阴阴极头结构及电极丝与冷阴极体相互关系示意图(放大图)。

图中：1.管芯，1-1.1.电极丝，1-1.2.冷阴极体，1-2,1-3.冷阴极发射头的上、下屏蔽帽，1-4.电源连接杆(以上1-1.1-1-4为阴极组件)；1-6.下磁极，1-7.下管壳，1-8.输入端陶瓷筒；2-1.阳极筒，2-2.叶片，2-3.天线，2-4.输出端陶瓷筒，2-5.排气管头，2-6.上磁极，2-7.上管壳。

具体实施方式

实施例1：以采用石墨烯作电子发射体，金属Cu粉、Zn粉作粘合材料的冷阴极体，以及采用该冷阴极体的组合式冷阴极头的磁控管为例；其冷阴极体的生产方法为：

步骤1、2.备料及球磨混合：分别称取厚度为1-10nm的石墨烯2g、粒径(费氏粒度)为30μm的Cu粉26.6g、Zn粉11.4g；一并置于内径为3.8cm，高为5.5cm的微型球磨机(罐)内，球磨混合120分钟，得混合料；球磨机功率150W、球磨机中的球径分别为φ1.4cm、φ0.9cm、φ0.7cm并按2:8:2的比例投放36g(球料比约7:8)；

步骤3.压制成型:将所得混合料置于模腔直径为φ2.9mm模具中，在40MPa的压力下分别压制成(直径×高)φ2.9mm×9mm的圆柱形坯体；

步骤4.烧结：将步骤3压制成型的各坯体置于真空炉内，在900℃的温度下烧结60分钟，随炉冷却后即得冷阴极体1-1.2。

将所得冷阴极体1-1.2在4000V电压下进行高压测试，所得的一次发射电流平均为100mA。

本实施例电极丝1-1.1采用直径为φ0.5mm钨丝，上屏蔽帽1-2的直径φ7.2mm、厚1.0mm，下屏蔽帽1-3直径φ7.2mm、厚2.5mm，电源连接杆1-4直径φ1.5mm、长41.5mm；安装时将钨丝按0.5mm的间隔绕于冷阴极体1-1.2的圆面上作为电极丝后，再将冷阴极体的两端分别铆接固定于上、下屏蔽帽上并同时将电极丝的两端对应焊结于上、下屏蔽帽上组成组合式冷阴极头，该冷阴极头连同与下屏蔽帽下端紧固成一体的电源连接杆1-4一并构成阴极组件；输入端陶瓷筒1-8的材质仍为含Al₂O₃ 95％的95瓷，外径及高亦均与背景技术同，其外端面不作金属化及镀镍处理，仅分别对与电源连接杆1-4配合的密封连接孔的焊接部位表面作金属化及镀镍处理，装配时再与电源连接杆1-4下部密封焊接成一体；其余：下磁极1-6、下管壳1-7、输出端陶瓷筒2-4、排气管头2-5，上磁极2-6、上管壳2-7其结构和尺寸均与背景技术同型号(规格)微波加热用磁控管相同，整个磁控管的组装、真空处理也与背景技术同。

实施例2：本实施例以采用碳纳米管作电子发射体，金属Cu粉、Zn粉、铝粉作粘合材料的冷阴极体，以及采用该冷阴极体的组合式冷阴极头的磁控管为例；其冷阴极体的生产方法为：

步骤1、2.备料及球磨混合：分别称取长为5um-10um、直径为φ30nm-50nm的碳纳米管2g、粒径为30μm的Cu粉28g、Zn粉12g、工业纯99.9％的铝粉8g；一并置于参数与实施例1相同的微型球磨机(罐)内，球磨120分钟，得混合料；

步骤3.压制成型:将所得混合料置于模腔直径为φ2.8mm模具中，在40MPa的压力下分别压制成(直径×高)φ2.8mm×10mm的圆柱形坯体；

步骤4.烧结：将步骤3压制成型的各坯体置于真空炉内，在860℃的温度下烧结60分钟，随炉冷却后即得冷阴极体1-1.2。

将本实施例所得冷阴极体1-1.2在4000V电压下进行测试，所得的一次发射电流平均为80mA。

其余：电极丝1-1.1，上屏蔽帽1-2，下屏蔽帽1-3，电源连接杆1-4的结构、尺寸等均与实施例1同；组合式冷阴极头及整个磁控管的安装、真空处理亦与实施例1同。

实施例3：本实施例以采用碳纳米管与石墨烯混合物作电子发射体，以金属Cu粉、Zn粉及铝粉作粘合材料的冷阴极体，以及采用该冷阴极体的组合式冷阴极头的磁控管为例；其冷阴极体的生产方法为：

步骤1、2.备料及球磨混合：分别称取长为5um-10um、直径为φ30nm-50nm的碳纳米管1.25g、厚度为1-10nm的石墨烯1.25g，以及粒径为30μm的Cu粉、Zn粉、工业纯99.9％的铝粉各15g；一并置于参数与实施例1相同的微型球磨机内，球磨混合120分钟，得混合料；

步骤3.压制成型:将所得混合料置于模腔直径为φ2.8mm模具中，在40MPa的压力下分别压制成(直径×高)φ2.8mm×10mm的圆柱形坯体；

步骤4.烧结：将步骤3压制成型的各坯体置于真空炉内，在860℃的温度下烧结60分钟，随炉冷却后即得冷阴极体1-1.2。

将本实施例所得冷阴极体1-1.2在4000V电压下进行测试，所得的一次发射电流平均为90mA。

其余：电极丝1-1.1，上屏蔽帽1-2，下屏蔽帽1-3，电源连接杆1-4的结构、尺寸等均与实施例1同；组合式冷阴极头及整个磁控管的安装、真空处理亦与实施例1同。

实施例4：本实施例以采用碳纳米管、石墨烯及氧化锌纳米线混合物作电子发射体，以金属Cu粉、Zn粉及铝粉作粘合材料的冷阴极体，以及采用该冷阴极体的组合式冷阴极头的磁控管为例，其冷阴极体的生产方法为：

步骤1、2.备料及球磨混合：分别称取长为5-10um、直径为φ30-50nm的碳纳米管，厚度为1-10nm的石墨烯，为长5-20μm、直径φ1-50nm的氧化Zn纳米线各0.8g，以及粒径为30μm的金属Cu粉、Zn粉、工业纯99.9％的铝粉各15g(即本实施例电子发射体材料中各成分之比、粘合材料中各成分之比均分别为1:1)；一并置于参数与实施例1相同的微型球磨机内，球磨混合150分钟，得混合料；

步骤3.压制成型:将所得混合料置于模腔直径为φ2.8mm模具中，在40MPa的压力下分别压制成(直径×高)φ2.8mm×10mm的圆柱形坯体；

步骤4.烧结：将步骤3压制成型的各坯体置于真空炉内，在860℃的温度下烧结60分钟，随炉冷却后即得冷阴极体1-1.2。

将本实施例所得冷阴极体1-1.2在4000V电压下进行测试，所得的一次发射电流平均为87mA。

其余：电极丝1-1.1，上屏蔽帽1-2，下屏蔽帽1-3，电源连接杆1-4的结构、尺寸等均与实施例1同；组合式冷阴极头及整个磁控管的安装、真空处理亦与实施例1同。

Claims (7)

1.一种采用组合式冷阴极头的磁控管，包括含上、下管壳，输入、输出端陶瓷筒，排气管头，阳极筒及上、下磁极在内的磁控管壳体，设于阳极筒内的叶片，含上下屏蔽帽、阴极头及电源连接杆在内的阴极组件，天线；其特征在于阴极组件中的冷阴极头则是由石墨烯、碳纳米管、氧化锌纳米线中的一种或几种与金属粉末合制成的冷阴极体及绕于冷阴极体圆柱面上的既作输入电极、又作二次电子发射体的钨或钨合金电极丝一并构成组合式冷阴极头；冷阴极体通过上、下两端面分别与上屏蔽帽及下屏蔽帽紧固连接，而绕于冷阴极体柱面上的电极丝的上、下端亦分别与上、下屏蔽帽对应焊结固定并连同电源连接杆一并组成阴极组件，整个阴极组件通过与下屏蔽帽紧固成一体的电源连接杆穿过下管壳及输入端陶瓷筒并与输入端陶瓷筒密封紧固、同时将固定于上、下磁极之间的阳极筒的中心线位置处，其余，下管壳与输入端陶瓷筒及下磁极之间、输出端陶瓷筒与排气管头及上管壳上端之间、上管壳下端与上磁极之间均分别对应密封固定，上、下磁极亦分别与阳极筒的上、下口部密封固定。

2.按权利要求1所述采用组合式冷阴极头的磁控管，其特征在于所述金属粉为Cu粉、Zn粉、或Cu粉、Zn粉和铝粉。

3.按权利要求1所述采用组合式冷阴极头的磁控管，其特征在于所述冷阴极体的直径为φ2-5mm、高为6-15mm的圆柱体。

4.一种冷阴极体的生产方法，包括：

步骤1.备料：将占冷阴极体重量3-7wt％的电子发射体材料及占冷阴极体重量97-93wt％的金属粘合材料分别称量待用，其中：电子发射体材料为石墨烯、氧化Zn纳米线、碳纳米管中的一种或几种，金属粘合材料为粒径20-50μm的铝粉和Cu粉、Zn粉或Cu粉和Zn粉；

步骤2.球磨混合：以混合料的重量百分比计，将3-7wt％的电子发射体材料及97-93wt％金属粘合材料置于球磨机内，球磨混合90-180分钟，得混合料，球磨时的球料比7:6-10；

步骤3.压制成型：分别将步骤2所得混合料置于模具中，在20MPa-60MPa的压力下压制成圆柱形坯体；

步骤4.烧结：将步骤3压制成型的坯体置于真空炉内，在800-950℃的温度环境下烧结30-90分钟，随炉冷却后即得本发明所述冷阴极体。

5.按权利要求4所述一种冷阴极体的生产方法，其特征在于步骤1所述石墨烯的厚度为1-20nm，氧化Zn纳米线的直径为φ1-100nm、长5-50μm，碳纳米管直径为φ4-100nm、长为1-20μm，当采用石墨烯、氧化Zn纳米线、碳纳米管中的几种材料作电子发射体材料时各材料之间的比例均为1:1。

6.按权利要求4所述一种冷阴极体的生产方法，其特征在于步骤1所述金属粘合材料，当采用铝粉和Cu粉、Zn粉作金属粘合材料时，各粉料之间的比例为铝粉:Cu粉:Zn粉＝1:1-4:1-2，而当采用Cu粉和Zn粉作金属粘合材料时，Cu粉:Zn粉＝1:0.4-0.8。

7.按权利要求4所述一种冷阴极体的生产方法，其特征在于在步骤3中所述在20-60MPa的压力下压制成圆柱形坯体，圆柱形坯体的直径为φ2-5mm、高6-15mm。