CN107068517B - 一种磁控管配套用冷阴极及冷阴极头的生产方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于磁控管用冷阴极及冷阴极头的生产方法。冷阴极包括上、下屏蔽帽，电源连接杆及整体式柱齿形冷阴极头；其方法包括备料、球磨混合、压坯及成型。该发明由于采用石墨烯或/和碳纳米管、氧化锌纳米线与金属粉混合压坏、烧结、加工制成柱齿形整体式冷阴极头，该冷阴极头在高压作用下发射一次电子，一次电子回轰激发轮齿发射二次电子，往复形成稳定的电子发射，其达到稳定输出仅为40纳秒。从而与热阴极相比，既保留了热阴极发射电子能力和抗电子轰击能力强等优点，又克服了预热时间长，启动慢，使用寿命短等缺点；与背景技术所述冷阴极相比则具有结构简单，发射电子能力及抗电子轰击能力强，输出频谱纯洁，发射速度快且稳定等特点。

Description

一种磁控管配套用冷阴极及冷阴极头的生产方法

技术领域

本发明属于微波器件生产技术领域，特别是一种与磁控管配套用冷阴极及冷阴极头的生产方法，采用该发明冷阴极发射系统的磁控管具有较好的场致发射能力及快速激励磁控管的作用，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之一，因其具有效率高、功率大、体积小、工作电压低、使用方便等一系列优点，是微波技术中的一种高功率源。磁控管一般用于各种微波加热装置中，经过多年的研究与探索，磁控管在设计与生产等方面日趋成熟。批量生产能使磁控管的成本进一步降低，工作稳定性也获得大幅提高。磁控管的应用范围已从雷达、导弹、导航、电子干扰等军用领域扩展至通信、计量学、高能粒子加速器、工业加热、医疗、食品工业乃至家庭炉灶等民用领域。目前广泛应用的热阴极磁控管如专利号为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，此类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镀镍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。

阴极是磁控管的心脏，阴极质量的好坏、工作模式不仅影响磁控管的寿命，还影响其输出功率和工作稳定性；因而采用冷阴极替代热阴极，则具有无可比拟的优点。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)一文中公开了一种采用三夹层结构冷阴极的微电子源，该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。

申请人在申请号为2016101968038，名称为《采用组合式冷阴极头的磁控管及冷阴极体的生产方法》的专利文件中，公开了一种含上下屏蔽帽、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混合制成的冷阴极体以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，其中冷阴极体与电极丝一并构成组合式冷阴极头，该冷阴极头虽然具有既可提供一次电子发射、又可提供二次电子发射的优点；但却因冷阴极体表面为圆柱面而不具备二次电子发射的功能，必须采用电极丝作为二次电子发射体，因而存在结构复杂、起振时间亦较长等缺陷。

此外，无论是传统的热阴极还是背景技术中所述冷阴极初始所发射出的电子均呈无序的散漫状(见附图5中部深色圆环部分)，经磁控管振荡后才后才呈聚集状的电子柱发出，传统的热阴极达到稳定输出的时间为135纳秒(不含预热时间)，而背景技术所述冷阴极达到稳定输出时间为80纳秒，因而均存在发射速度慢的弊病。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，改进设计一种磁控管配套用冷阴极及冷阴极头的生产方法，在保留传统热阴极发射电子能力强、抗电子轰击能力强等优点的基础上，达到简化冷阴极结构及生产工艺，不需设置电极丝，免预热，可瞬时启动、发射速度快；与磁控管配套使用，又可实现磁控管发射电子能力强、发射稳定、输出功率大，电磁兼容性能好，效率及可靠性高，输出频谱纯洁，寿命长等目的。

本发明的解决方案是采用石墨烯或/和碳纳米管、氧化锌纳米线与作为粘结剂的Mg、Al、Cu金属混合粉末按比例混合、压坯、烧结或烧结后再加工制成柱齿形的整体式冷阴极头，该冷阴极头利用其上的柱齿及具有良好的尖端效应石墨烯或/和碳纳米管、氧化锌纳米线，在阴-阳极高压作用下，形成场致发射产生一次电子，一次电子在偏执磁场的作用下，回轰阴极，激发阴极头上的柱齿发射二次电子；如此往复，形成稳定的电子发射。因而本发明与磁控管配套用冷阴极包括上、下屏蔽帽，电源连接杆及冷阴极头，关键在于冷阴极头为石墨烯或/和碳纳米管、氧化锌纳米线与由Mg、Al、Cu组成的金属混合粉末混合、压坯、烧结，制成的整体式柱齿形冷阴极头，上、下屏蔽帽分别与冷阴极头的上、下端面紧固成一体，电源连接杆的上端则与下屏蔽帽紧固连接；而冷阴极头在与磁控管配套装配时整个柱齿形冷阴极头的凸齿及齿槽(凹槽)则分别正对相应的阳极腔并通过电源连接杆与磁控管的输入端陶瓷筒密封固定。

而所述柱齿形冷阴极头，其齿形为扇形齿或梯形齿、三角形齿；当采用梯形齿时，梯形齿两腰面的倾斜角为55°-65°；而当采用三角形齿时，其齿顶角为50°-70°。

所述冷阴极中的冷阴极头的生产方法，包括：

步骤1.备料：将占冷阴极头原料总重量8-12wt％的石墨烯或/和碳纳米管、氧化锌纳米线，及占原料总重量88-92wt％的由Mg、Al、Cu粉末配制成的金属混合粉分别称量待用；

步骤2.球磨混合：将步骤1称量待用的两组粉料置于球磨机内，球磨混合90-180分钟至均匀，得原料混合粉；

步骤3.压坯：将步骤2所得原料混合粉置于模具内，在30MPa-80MPa的压力下直接压制成柱齿形或压制成圆柱形坯体；

步骤4.成型：将步骤3压制成型的坯体置于真空炉内，在600-700℃的温度及惰性气体环境下烧结60-120分钟，随炉冷却后即得本发明所述柱齿形冷阴极头或圆柱形烧结体；当为圆柱形烧结体时，再将其加工成所需的柱齿形冷阴极头。

在步骤1中所述由Mg、Al、Cu粉末配制成的金属混合粉，该混合粉中三种金属的比例为Mg﹕Al﹕Cu＝1﹕1﹕1。在步骤2中所述球磨混合，当采用微小型高能球磨机(罐)时，其球料比为1:1-3。在步骤4中所述加工成所需的柱齿形冷阴极头，其加工方式为铣削或磨削加工。

本发明由于采用石墨烯、碳纳米管、氧化锌纳米线中的一种或几种与作为粘结剂的Mg、Al、Cu金属粉按比例混合烧结、加工制成柱齿形的整体式冷阴极头，该冷阴极头在阴-阳极高压作用下形成场致发射产生一次电子，一次电子在偏执磁场的作用下，回轰阴极，激发阴极头上的轮齿发射二次电子，此往复形成稳定的电子发射；本发明由于冷阴极发射的电子是接近聚集的电子柱(即发射的电子具有预群聚效应)，因而能有效地提高微波输出速度，本发明达到稳定输出的时间为40纳秒，较之传统的热阴极的135纳秒(不含预热时间)、其输出速度提高了2.3倍，较之背景技术所述冷阴极的80纳秒、其输出速度亦提高了1倍。本发明与热阴极相比，既保留了传统热阴极发射电子能力强和抗电子轰击能力强等优点，又克服了热阴极存在预热时间长，启动慢，使用寿命短等缺点；而与背景技术所述冷阴极相比本发明具有结构简单，发射电子能力及抗电子轰击能力强，输出频谱纯洁，发射速度快且稳定等特点。

附图说明

图1.为本发明结构及与磁控管配套使用时相互的位置关系示意图；

图2.为扇形齿冷阴极头结构示意图；

图3.为梯形齿冷阴极头结构示意图；

图中：1-1.冷阴极头，1-1.1.轮齿，1-2.上屏蔽帽，1-3.下屏蔽帽，1-4.中心支撑及电源连接杆,1-5.高压陶瓷，1-6.磁控管下磁极，1-7.磁控管下管壳；2-1.磁控管阳极筒，2-2.阳极叶片，2-3.磁控管天线，2-4.输出端陶瓷筒，2-5.排气管头，2-6.磁控管上磁极，2-7.上管壳，2-8.(阳极)隔模带。

图4.为本发明实施例1所得冷阴极头初始所发射出呈聚集状电子柱的计算机模拟图，图中五角星角部为聚集状电子柱；

图5.为传统的热阴极初始所发射出如电子呈无序散漫状的计算机模拟图(背景技术所述冷阴极与此类似)，图中中部深色圆环部分为散漫状电子云；

图6.分别为本发明实施例1、背景技术所述冷阴极、传统的热阴极由初始所发射电子至达到稳定能量输出的直角座标曲线对比图；图中：点划线为实施例1、方块组合线为背景技术所述冷阴极、实线为传统的热阴极分别对应的能量(功率)/时间曲线。

具体实施方式

实施例1：以生产石墨烯占10wt％，带五个梯形齿的冷阴极头为例：

步骤1.备料：称取石墨烯粉5g；再将粒径小于30μm的电解Cu粉、电解Al粉及电解Mg粉各15g配制成金属混合粉，待用；

步骤2.球磨混合：将步骤1所述石墨烯粉及金属混合粉置于球磨罐内，球磨混合120分钟，得混合粉料；本实施例球磨罐采用美国产型号为SPEX8000M-230型微型高能单体球磨罐，罐体内径Φ35mm、高60mm、转速1425转/分钟，磨球用直径Φ5mm钢珠5个、Φ8mm钢珠15个(球料比为1:1.42)；

步骤3.压坯：将步骤2所得混合粉料置于模具内，在60MPa的压力下直接压制成高9.5mm、大径Φ8.5mm、底径Φ7.5mm其中各梯形齿高0.5mm、上底宽0.5mm、下底宽1.0mm的带五个梯形柱齿的冷阴极头坯体；

步骤4.成型：将步骤3压制成型的冷阴极头坯体置于真空炉内，在650±10℃的温度及Ar(氩)气环境下烧结100分钟后随炉冷却，即得带五个梯形齿的冷阴极头；

该实施例所得冷阴极头分别与直径Φ10mm、厚1mm的上屏蔽帽1-2及直径Φ10mm、厚2mm的下屏蔽帽1-3固定联接后，再将中心支撑1-4与下屏蔽帽紧固联接,即组成本发明所述与磁控管配套用冷阴极。

将该冷阴极放入真空腔中，在真空度为1×10^-4Pa及电压为4500V的条件下进行测试，其发射电流为120mA。

另对本实施例所得冷阴极头采用计算机对其初始发射电子的形态进行模拟实验，图4所示即为其模拟图，图中五角星角部表明其初始所发射出的电子呈聚集状；与同一条件下模拟实验所得图5中传统的热阴极初始所发射出的呈无序散漫状，具有明显区别。

实施例2：以生产石墨烯占10wt％、齿形为扇形齿的冷阴极头为例：

步骤1、2均与实施例1同；

步骤3.压坯：将步骤2所得混合粉料置于模具内，在50MPa的压力下压制成高9.5mm、直径Φ8.5mm圆柱形坯体；

步骤4.成型：将步骤3压制成型的冷阴极头坯体置于真空炉内，在630±10℃的温度及Ar气环境下烧结100分钟后随炉冷却，即得圆柱型烧结体；然后在该圆柱型烧结体的柱面上顺轴向每间隔72°铣削一与烧结体高等长、槽宽为1mm、深为0.5mm的矩形通槽，即得带五个扇形齿的冷阴极头。

所得冷阴极头按与实施例1相同的方式组装成冷阴极后，放入真空腔中内，在真空度为1×10^-4Pa及电压为5000V的条件下进行测试，其发射电流为90mA。

实施例3：以生产石墨烯、碳纳米管各占5wt％，齿形为扇形齿的冷阴极头为例：

步骤1.备料：分别称取石墨烯粉、长度为500nm-5μm的碳纳米管各2.5g；再将粒径小于30μm的电解Cu粉、电解Al粉及电解Mg粉各15g配制成的金属混合粉，待用；

步骤2.球磨混合、步骤3.压坯、步骤4.成型均与实施例2相同，得带五个扇形齿的冷阴极头。

所得冷阴极头按与实施例1相同的方式组装成冷阴极后，放入真空腔中内，在真空度为1×10^-4Pa及电压为5000V的条件下进行测试，其发射电流为102mA。

实施例4：以生产石墨烯、碳纳米管各占5wt％、齿形为梯形齿的冷阴极头为例：

步骤1.备料、步骤2.球磨混合均与实施例3相同；步骤3.压坯及步骤4.成型则均与实施例1相同；得带五个梯形齿的冷阴极头。

所得冷阴极头按与实施例1相同的方式组装成冷阴极后，放入真空腔中内，在真空度为1×10^-4Pa及电压为4000V的条件下进行测试，其发射电流为132mA。

Claims (6)

1.一种磁控管配套用冷阴极，包括上、下屏蔽帽，电源连接杆及冷阴极头，其特征在于冷阴极头为石墨烯或/和碳纳米管、氧化锌纳米线与由Mg、Al、Cu组成的金属混合粉混合、压坯、烧结，制成的整体式柱齿形冷阴极头，上、下屏蔽帽分别与冷阴极头的上、下端面紧固成一体，电源连接杆的上端则与下屏蔽帽紧固连接；而冷阴极头在与磁控管配套装配时整个柱齿形冷阴极头的凸齿及齿槽则分别正对相应的阳极腔并通过电源连接杆与磁控管的输入端陶瓷筒密封固定。

2.按权利要求1所述磁控管配套用冷阴极，其特征在于所述柱齿形冷阴极头，其齿形为扇形齿、梯形齿或三角形齿；当采用梯形齿时，梯形齿两腰面的倾斜角为55°-65°；而当采用三角形齿时，其齿顶角为50°-70°。

3.按权利要求1所述冷阴极中的冷阴极头的生产方法，包括：

步骤1.备料：将占冷阴极头原料总重量8-12wt％的石墨烯或/和碳纳米管、氧化锌纳米线，及占原料总重量88-92wt％的由Mg、Al、Cu粉末配制成的金属混合粉分别称量待用；

步骤2.球磨混合：将步骤1称量待用的两组粉料置于球磨机内，球磨混合90-180分钟至均匀，得原料混合粉；

步骤3.压坯：将步骤2所得原料混合粉置于模具内，在30MPa-80MPa的压力下直接压制成柱齿形或压制成圆柱形坯体；

步骤4.成型：将步骤3压制成型的坯体置于真空炉内，在600-700℃的温度及惰性气体环境下烧结60-120分钟，随炉冷却后即得本发明所述柱齿形冷阴极头或圆柱形烧结体；当为圆柱形烧结体时，再将其加工成所需的柱齿形冷阴极头。

4.按权利要求3所述冷阴极头的生产方法，其特征在于步骤1中所述由Mg、Al、Cu粉末配制成的金属混合粉，该混合粉中三种金属的比例为Mg∶Al∶Cu＝1∶1∶1。

5.按权利要求3所述冷阴极头的生产方法，其特征在于步骤2中所述球磨混合，当采用微小型高能球磨机时，其球料比为1:1-3。

6.按权利要求3所述冷阴极头的生产方法，其特征在于步骤4中所述加工成所需的柱齿形冷阴极头，其加工方式为铣削或磨削加工。