CN106098501B - 一种Ag‑Mg‑Al合金次级发射阴极材料及其制备方法 - Google Patents

一种Ag‑Mg‑Al合金次级发射阴极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Ag‑Mg‑Al合金次级发射阴极材料及其制备方法，属于电子发射阴极技术领域。以金属银充当基体，以Mg、Al金属元素充当活性物质，通过感应熔炼、冷轧、退火和磨抛光工艺制备得到Ag‑Mg‑Al合金薄片；之后将合金薄片在0.5～50.0Pa低压氧气气氛下进行热活化处理，得到厚度为80‑120nm的MgO‑Al2O3复合薄膜层。本发明的新型Ag‑Mg‑Al合金阴极具有次级发射系数大、耐电子轰击、性能稳定、制备工艺流程简单等优点，有望应用于光电倍增管、铯原子钟等领域。

Description

一种Ag-Mg-Al合金次级发射阴极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型Ag-Mg-Al三元合金次级发射阴极材料及其制备方法，属于电子发射阴极材料制备技术领域。
背景技术
合金型次级发射阴极材料具有次级发射系数较高、工作性能稳定、无需加热就能瞬时启动、制备工艺简单、延展性好便于机械加工等优点，广泛应用于光电倍增管、铯束管、磁控管等真空电子器件。目前，以Ag-Mg、Cu-Be、Cu-Mg、Ni-Be为代表的传统合金阴极发射体在一次电子能量为150～900eV时，次级电子发射系数为3.5～12.0。这类传统合金阴极在装管后短时间内能维持较理想的次级发射性能，但在高能量一次电子束持续轰击一段时间后，其发射性能将明显恶化。这主要是因为合金阴极表面氧化膜在真空条件下受电子轰击和热作用而发生分解和挥发所致。开发耐电子轰击、稳定性更好的新型合金阴极是次级电子发射阴极材料研究的必然趋势。通过选择形成氧化物热力学稳定性好的元素，形成复合氧化物来改善表面氧化层的结构，可以延长阴极发射材料的耐轰击性能。Al2O3的化学结合键能较大，稳定性好，因此，在Ag-Mg合金基础上，加入微量的铝元素，通过热活化处理使其表面生成MgO-Al2O3复合膜，可以提高合金阴极耐电子轰击性能。Ag-Mg-Al合金阴极有望成为次级发射系数高、耐电子轰击、性能稳定的合金阴极次级发射材料的选择之一。
发明内容
针对传统二元合金型次级发射体不耐电子轰击、使用寿命短等问题，本发明提供了一种次级发射系数大、耐电子轰击、次级发射性能稳定的新型Ag-Mg-Al合金阴极材料。
本发明所提供的Ag-Mg-Al合金阴极是通过以下方式实现：
A.以延展性好、易于加工且导电性能良好的金属银充当基体材料，以性质较为活泼的金属Mg、Al充当活性物质，使用感应熔炼炉熔炼制备Ag-Mg-Al合金坯体，其中金属Mg的含量1.0～6.0wt％、Al的含量0.5～4.0wt％；
B.将熔炼好的Ag-Mg-Al合金坯体进行冷轧、退火、表面磨抛光和裁切，得到成分均匀、表面光滑合金薄片(如尺寸为10mm×10mm×0.5mm)。
C.Ag-Mg-Al合金薄片在低真空0.5Pa条件下通入微量氧气进行热活化处理，在材料表面得到80-120nm的MgO-Al2O3复合薄膜层。
上述方法步骤A中，所述感应熔炼工艺为：在熔炼炉石英管中放入样品，用机械泵预抽真空至0.5Pa，再充入微量低压50Pa高纯氩气(99.999％纯)保护，通过感应加热升温至1250℃，保温2min后自然冷却至室温。
上述方法步骤B中，所述退火工艺为：样品放入管式炉内，在持续通入氩气保护条件下升温至450℃保温70min后自然冷却至室温。
上述方法步骤B中，所述表面磨抛光工艺为：依次以2000#、3000#SiC砂纸磨光，之后依次以2.5μm、1.0μm金刚石抛光膏抛光合金薄片样品表面。
上述方法步骤C中，所述低真空热活化处理工艺为：将Ag-Mg-Al合金薄片在0.5～50.0Pa低压氧气气氛下升温至400～700℃保温10～60min。热活化处理后，合金样品表面获得颜色为均匀浅黄色、厚度优选为100nm的MgO-Al2O3复合薄膜层。
本发明最终得到次级发射系数高(最大次发射系数δmax>7)、耐电子轰击(一次电子能量为0.018eV持续轰击250小时后最大次级发射系数δ仍大于5)、次级发射性能稳定的Ag-Mg-Al合金阴极，合金阴极表面薄膜呈致密均匀鳞片状，平均鳞片颗粒<50nm。
附图说明
为了更详实地表述该发明实施例的技术方案，以下对实施例描述中所使用的附图作简单介绍。显然，以下描述中的附图仅为本发明的一些实施例的附图，对于该领域普通技术人员来讲，在未付诸创造性劳动的前提下，还可依据此类附图获得其它的附图。
图1为实施例1所制的Ag-1Mg-2Al合金样品热活化处理后的表面显微形貌；
图2为实施例1所制的Ag-1Mg-2Al合金样品热活化处理后的俄歇电子能谱元素纵向分布图；
图3为实施例1的一次电子能量-次级发射系数曲线图；
图4为实施例2的一次电子能量-次级发射系数曲线图；
图5为实施例3的一次电子能量-次级发射系数曲线图；
图6为实施例4的一次电子能量-次级发射系数曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
(1)将15.782g银片(99.99％纯)、0.036g镁颗粒(99.99％纯)和0.081g铝粉(99.99％纯)置入石墨坩埚中(其中Mg、Al分别占Ag-Mg-Al合金的1wt％和2wt％)，并将其放入小型感应熔炼炉石英管中，用机械泵预抽真空至0.5Pa，再充入微量低压50Pa高纯氩气保护，关闭进出气阀。启动感应加热，使坩埚升温至1250℃，保温2min后自然冷却至室温，得到合金坯体；
(2)将熔炼制备的合金坯体冷轧至0.5mm厚薄片，之后在真空管式炉中氩气气氛保护下于450℃保温70min，消除冷轧引起的材料残余内应力。
(3)将样品裁减成10mm×10mm薄片，依次用800#、2000#、3000#SiC砂纸打磨样品表面，再依次用2.5μm、1.0μm金刚石抛光膏抛光，得到表面光滑均匀的Ag-1Mg-2Al(质量百分比)合金薄片材料；
(4)将Ag-1Mg-2Al合金薄片样品放入特制管式炉中，用旋片式机械泵抽真空至腔室内真空度为0.5Pa，再通过流量控制器持续通入微量氧气，控制腔室真空度为5.0Pa。管式炉升温至650℃保温60min，获得Ag-1Mg-2Al合金阴极样品。
(5)用自制次级发射测试系统测试阴极样品的次级发射系数随一次电子能量变化曲线，见图3。采用一次电子能量为0.018eV(极间电压600V，电流30μA)进行阴极次级发射寿命实验，结果总结于表1。
图1为Ag-1Mg-2Al合金阴极活化处理后的表面显微形貌图，可见表面薄膜呈致密均匀鳞片状，平均鳞片颗粒<50nm。图2为Ag-1Mg-2Al合金阴极活化处理后表面俄歇电子能谱元素纵向分布图，可以看出表面100nm以内为Mg、Al和O元素，表明表面形成MgO-Al2O3复合薄膜。复合氧化物薄膜中MgO成分占绝大部分，这是其次级发射系数高的主要原因，而Al2O3的存在提高了阴极的耐电子束轰击性能。
实施例2
(1)将17.782g银片(99.99％纯)、0.042g镁颗粒(99.99％纯)和0.187g铝粉(99.99％纯)置入石墨坩埚中(其中Mg、Al分别占Ag-Mg-Al合金的1wt％和4wt％)，并将其放入小型感应熔炼炉石英管中，与实施例1类似，感应加热石墨坩埚及其中样品至1250℃，保温2min后自然冷却至室温，得到合金坯体；
(2)将熔炼制备的合金坯体冷轧至0.5mm厚薄片，之后在真空管式炉中氩气气氛保护下于450℃保温70min，消除冷轧引起的材料残余内应力。
(3)将样品裁减成10mm×10mm薄片，依次用800#、2000#、3000#SiC砂纸打磨样品表面，再依次用2.5μm、1.0μm金刚石抛光膏抛光，得到表面光滑均匀的Ag-1Mg-4Al(质量百分比)合金薄片材料；
(4)将Ag-1Mg-4Al合金薄片样品放入特制管式炉中，用旋片式机械泵抽真空至腔室内真空度为0.5Pa，再通过流量控制器持续通入微量氧气，控制腔室真空度为5.0Pa。管式炉升温至700℃保温30min，获得Ag-1Mg-4Al合金阴极样品。
(5)用自制次级发射测试系统测试阴极样品的次级发射系数随一次电子能量变化曲线，见图4。采用一次电子能量为0.018eV(极间电压600V，电流30μA)进行阴极次级发射寿命实验，结果总结于表1。
实施例3：
首先，将16.462g银片(99.99％)、0.076g镁颗粒(99.99％)和0.086g铝粉(99.99％)置入石墨坩埚中(其中Mg、Al分别占Ag-Mg-Al合金的2％和2％)，并将其放入小型感应熔炼炉石英管中，与实施例一类似，感应加热石墨坩埚及其中样品至1250℃，保温2min后自然冷却至室温，得到合金坯体；
(2)将熔炼制备的合金坯体冷轧至0.5mm厚薄片，之后在真空管式炉中氩气气氛保护下于450℃保温70min，消除冷轧引起的材料残余内应力。
(3)将样品裁减成10mm×10mm薄片，依次用800#、2000#、3000#SiC砂纸打磨样品表面，再依次用2.5μm、1.0μm金刚石抛光膏抛光，得到表面光滑均匀的Ag-2Mg-2Al(质量百分比)合金薄片材料；
(4)将Ag-2Mg-2Al合金薄片样品放入特制管式炉中，用旋片式机械泵抽真空至刚玉管腔室内真空度为0.5Pa，再通过流量控制器持续通入微量氧气，控制腔室真空度为40Pa。管式炉升温至600℃保温30min，获得Ag-2Mg-2Al合金阴极样品。
(5)用自制次级发射测试系统测试阴极样品的次级发射系数随一次电子能量变化曲线，见图5。采用一次电子能量为0.018eV(极间电压600V，电流30μA)进行阴极次级发射寿命实验，结果总结于表1。
实施例四：
(1)将18.714g银片(99.99％)、0.089g镁颗粒(99.99％)和0.199g铝粉(99.99％)置入石墨坩埚中(其中Mg、Al分别占Ag-Mg-Al合金的2％和4％)，并将其放入小型感应熔炼炉石英管中，与实施例1类似，感应加热石墨坩埚及其中样品至1250℃，保温2min后自然冷却至室温，得到合金坯体；
(2)将熔炼制备的合金坯体冷轧至0.5mm厚薄片，之后在真空管式炉中氩气气氛保护下于450℃保温70min，消除冷轧引起的材料残余内应力。
(3)将样品裁减成10mm×10mm薄片，依次用800#、2000#、3000#SiC砂纸打磨样品表面，再依次用2.5μm、1.0μm金刚石抛光膏抛光，得到表面光滑均匀的Ag-2Mg-4Al(质量百分比)合金薄片材料；
(4)将Ag-2Mg-4Al合金薄片样品放入特制管式炉中，用旋片式机械泵抽真空至腔室内真空度为0.5Pa，再通过流量控制器持续通入微量氧气，控制腔室真空度为25Pa。管式炉升温至550℃保温60min，获得Ag-2Mg-4Al合金阴极样品。
(5)用自制次级发射测试系统测试阴极样品的次级发射系数随一次电子能量变化曲线，见图6。采用一次电子能量为0.018eV(极间电压600V，电流30μA)进行阴极次级发射寿命实验，结果总结于表1。
表1Ag-Mg-Al合金的次级发射寿命总结
以上所述仅为本发明的主要实施方案，然而本发明并非局限于此，凡在不脱离本发明核心的情况下所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种Ag-Mg-Al三元合金次级发射阴极的制备方法，其特征在于，主要按照下列步骤制备：
A.以金属银充当基体材料，以金属Mg、Al充当活性物质，使用感应熔炼炉熔炼制备Ag-Mg-Al合金坯体；
B.将熔炼好的Ag-Mg-Al合金坯体进行冷轧、退火、表面磨抛光和裁切，得到合金薄片；
C.Ag-Mg-Al合金薄片在低真空条件下通入微量氧气进行热活化处理，在材料表面得到80-120nm的MgO-Al2O3复合薄膜层。
2.按照权利要求1的一种Ag-Mg-Al合金阴极的制备方法，其特征在于，步骤A中的Ag-Mg-Al合金中1.0～6.0wt％Mg、0.5～4.0wt％Al。
3.按照权利要求1的一种Ag-Mg-Al合金阴极的制备方法，其特征在于，步骤A中的感应熔炼工艺为：在熔炼炉石英管中放入样品，用机械泵预抽真空至0.5Pa，再充入微量低压50Pa高纯氩气保护，通过感应加热升温至1250℃，保温2min后自然冷却至室温。
4.按照权利要求1的一种Ag-Mg-Al合金阴极的制备方法，其特征在于，步骤B中的退火工艺为：样品放入管式炉内，在持续通入氩气保护条件下升温至450℃保温70min后自然冷却至室温。
5.按照权利要求1的一种Ag-Mg-Al合金阴极的制备方法，其特征在于，步骤B中的表面磨抛光工艺为：依次采用800#、2000#、3000#SiC砂纸磨光，之后依次用2.5μm、1.0μm金刚石抛光膏抛光合金薄片表面。
6.按照权利要求1的一种Ag-Mg-Al合金阴极的制备方法，其特征在于：步骤C中的热活化工艺为：在0.5～50.0Pa低压氧气气氛下将Ag-Mg-Al合金薄片加热至400～700℃，保温10～60min。
7.按照权利要求1-6任一项制备方法制备得到的Ag-Mg-Al合金阴极。
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