CN108878232B - 用于真空电子器件的热阴极组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于真空电子器件的热阴极组件，该热阴极组件包括：阴极；热子单元，其位于阴极的底部，用于加热阴极；以及支撑件，其用于支撑阴极和热子单元。热子单元为环形结构，使得阴极的底部的外周部分与热子单元直接接触，并且中心部分与热子单元不接触。本发明提出了一种环形的热子加热结构，热子与阴极的接触为环形接触，避免了阴极中心和边缘温差较大的问题，提高了阴极温度的均匀性，在确保阴极发射电流均匀性的前提下，提高了阴极的使用寿命。

Description

用于真空电子器件的热阴极组件

技术领域

本发明涉及真空电子器件领域，具体地，涉及一种真空电子器件的热阴极组件。

背景技术

真空电子器件，又称电真空器件，泛指利用电子在真空状态下运行的电子器件。真空电子器件包括电子枪，电子枪是电子束产生、成形的部件，通常包含热子、阴极、聚束极(或控制极)和阳极等，其中阴极是提供器件互作用所需电子的源。目前，大部分真空电子器件所使用的阴极都是热阴极。热阴极在工作时需要达到一定的工作温度，使电子获得足够的动能克服表面势垒，从阴极表面逸出到真空中，以获得器件所需的发射电流。

阴极作为真空电子器件中发射电子的核心元件，其性能的好坏直接影响真空电子器件的性能和寿命等指标。一般使用热子对阴极加热，阴极温度的高低和温度的均匀性对其电流发射密度和寿命有重要影响。

现有技术中，阴极普遍使用的热子为盘形熔融热子。这种熔融热子与阴极装配时，阴极的下端面与熔融热子的上端面完全接触。尽管这样提高了热子和阴极间的传热效率，但是使用过程中阴极中心部分和边缘部分的温差较大。此时，若阴极中心发射电流密度适中，则边缘发射不足；若阴极边缘发射电流适中，则中心会出现“过电流”和高温，造成阴极寿命的缩短。因而，盘形熔融热子加热结构不能较好地处理阴极发射电流密度和阴极寿命之间的矛盾。

发明内容

针对上述问题，为了能提高阴极温度均匀性，兼顾阴极发射电流密度和阴极寿命，本发明的实施例提出了一种用于真空电子器件的热阴极组件，包括：

阴极；

热子单元，该热子单元位于所述阴极的底部，用于加热所述阴极；以及

支撑件，其用于支撑所述阴极和热子单元，

所述热子单元为环形结构，使得所述阴极的底部的外周部分与所述热子单元直接接触并且阴极的底部的中心部分与所述热子单元不接触。

在一些实施例中，所述阴极为浸渍阴极，由铝酸盐浸渍到多孔钨海绵结构中制备而成。

在一些实施例中，所述热子单元包括环形结构的热子和包裹所述热子的烧结瓷。

在一些实施例中，所述热子由钨丝或钨铼合金丝绕制而成，用于形成所述烧结瓷的材料包括氧化铝。

在一些实施例中，所述支撑件包括第一支撑筒以及位于所述第一支撑筒的内部的隔离筒，所述隔离筒的尺寸与所述热子单元的环形内部的尺寸相对应，所述隔离筒和所述第一支撑筒共同限定用于容置热子单元的环形区域。

在一些实施例中，根据本发明的热阴极组件还包括陶瓷片，该陶瓷片设置于所述第一支撑筒的内部，所述陶瓷片与所述热子单元的远离所述阴极的一侧紧密接触。

在一些实施例中，用于形成所述第一支撑筒和所述隔离筒的材料均包括钼，用于形成所述陶瓷片的材料包括氧化铝。

在一些实施例中，所述支撑件还包括第二支撑筒，第二支撑筒位于所述第一支撑筒的外围。

在一些实施例中，所述第二支撑筒上包括多个槽孔，用于减小热阴极组件与外围部件的传热效率。

在一些实施例中，阴极与第一支撑筒和隔离筒之间通过钎焊连接，所述第一支撑筒和所述第二支撑筒之间通过激光焊接连接。

基于上述技术方案可知，本发明至少取得了以下有益效果：

本发明提出了一种环形的热子加热结构，热子与阴极的接触为环形接触，避免了阴极中心和边缘温差较大的问题，提高了阴极温度的均匀性，在确保阴极发射电流均匀性的前提下，提高了阴极的使用寿命。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的用于真空电子器件的热阴极组件的示意图；

图2为现有技术中的一种用于真空电子器件的热阴极组件的示意图。

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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

图1为本发明的一个实施例的用于真空电子器件的热阴极组件的示意图，如图1所示，该热阴极组件包括阴极1、热子单元2和支撑件。热子单元2位于阴极1的底部，在本实施例中，阴极的底部指的是阴极电子发射面的背面，热子单元2用于加热阴极1；支撑件用于支撑阴极1和热子单元2。热子单元2为环形结构，使得阴极1的底部的外周部分与热子单元2直接接触，而阴极1的底部的中心部分与热子单元2不接触。

通过这样的设置，避免了阴极中心和边缘温差较大的问题，提高了阴极温度的均匀性，在确保阴极发射电流均匀性的前提下，提高了阴极的使用寿命。

根据一些实施例，阴极1为浸渍阴极，由铝酸盐浸渍到多孔钨海绵结构中制备而成。浸渍阴极具有发射电流密度大、寿命长、耐电子轰击等特点，在真空电子器件中有着广泛的应用。

对于浸渍阴极，其发射电流密度与阴极表面电子的功函数φ和阴极表面温度T有关，由理查森方程确定

J＝120T²exp(-eφ/kT) (1)

式中，J(A/cm²)为阴极发射电流密度；T(K)为开尔文温度；k为玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K；e为电子电荷，e＝1.60×10^-19C；φ(eV)为用电子伏特表示的阴极表面的功函数。对上式进行微分，可得浸渍阴极的发射电流密度随温度变化的关系式

对于大功率真空电子器件常用的扩散式钡钨阴极，它的逸出功约为2.0eV。当其工作温度为T＝1300K时，从式(2)可计算出若阴极温度改变0.1％时(温度改变1.3K)，则阴极发射电流密度改变1.98％。这说明阴极温度的变化对发射电流密度会产生明显的影响。

如果阴极寿命只取决于阴极中Ba的含量，则阴极寿命D随温度变化的关系式为

式(3)中，E为Ba的蒸发能，E＝2.30eV。若阴极温度增大0.1％时，则阴极寿命减小2.05％。因此，控制阴极温度和阴极温度的均匀性对于提高阴极的发射电流均匀性和寿命是非常有意义的。

根据一些实施例，如图1所示，热子单元2包括环形结构的热子21和包裹热子21的烧结瓷22，二者经高温烧结后成为一体，形成了环形熔融热子的加热结构。烧结瓷22包裹热子21，可避免热子21自身的短路或热子21与其他零件接触造成短路，同时烧结瓷22填充于热子21和阴极1之间，可提高二者之间的导热效率。热子21在通电流后成为发热体，通过烧结瓷22对阴极1进行加热。

根据一些实施例，如图1所示，支撑件包括第一支撑筒3以及位于第一支撑筒3的内部的隔离筒5，隔离筒5的尺寸与环形结构的热子单元2的内圈尺寸相对应，隔离筒5和第一支撑筒3共同限定环形区域，用于放置热子单元2。

阴极1与第一支撑筒3和隔离筒5之间通过钎焊连接，三者在阴极1的底部形成的环形空间用于放置热子单元2，避免了复杂的阴极形状。

根据一些实施例，如图1所示，根据本发明的热阴极组件还包括陶瓷片4，陶瓷片4设置于第一支撑筒3的内部，陶瓷片4与热子单元2的远离阴极1的一侧紧密接触。这样，热子单元2被包围在一个密闭的空间内，避免了热子单元2掉落瓷粉，从而造成电子枪的短路。

根据一些实施例，支撑件还包括第二支撑筒6，第二支撑筒6位于第一支撑筒3的外围。优选地，第二支撑筒6具有隔热作用，其上包括多个槽孔，用于减小热阴极组件与外围部件的传热效率；第一支撑筒3和第二支撑筒6之间通过激光焊接的方式连接。

优选地，对于阴极1，其基体一般为钨。对于热子单元2，热子21一般采用钨丝或钨铼合金丝绕制，并使用模具定形；烧结瓷22一般为氧化铝瓷粉，经高温烧结后成为块状瓷。第一支撑筒3和隔离筒5一般采用钼，因为其与钨的热膨胀系数接近，便于钎焊连接；而且钼的硬度比钨低，可通过修配第一支撑筒3，保证阴极与真空电子器件飘移通道的同心度。陶瓷片4的材质一般为氧化铝材料，具有隔热作用的第二支撑筒6一般采用钽、钼等耐高温材料制造。

下面介绍本发明的一个具体实施例中的用于真空电子器件的热阴极组件的制备流程。

参照图1，首先，将阴极1与第一支撑筒3和隔离筒5进行钎焊连接。三者焊接完成后，在阴极1的底部形成环形空间。此空间用于放置热子单元2，可起到径向定位和轴向定位的作用。热子单元2由热子21和烧结瓷22组成，二者经高温烧结后成为一体，烧结瓷22包裹环形热子21，烧结瓷22的外观尺寸略大于热子21即可。

热子单元2放置于阴极1的底部的环形空间内后，接着将陶瓷片4放入第一支撑筒3中，并将其压紧在热子单元2上。最后，将第一支撑筒3与外围的第二支撑筒6配合，二者之间进行激光焊接，并在第二支撑筒6上开槽。

当需要进一步保证阴极1的温度均匀性时，阴极1与热子单元2的环形接触面积可根据仿真或实验结果进行适当调整。这种调整可通过改变热子21的自旋直径和回转直径来实现。在环形热子21的尺寸改变后，烧结瓷22和隔离筒5的尺寸也需要做相应的调整。

图2为现有技术中的一种真空电子器件的热阴极组件的示意图，如图2所示，包括阴极1、烧结瓷2和热子3，其中烧结瓷2和热子3经高温烧结后成为盘形熔融热子。这种熔融热子与阴极装配时，阴极的下端面与熔融热子的上端面完全接触。尽管这样提高了热子和阴极间的传热效率，但是使用过程中阴极中心部分和边缘部分的温差较大。

分别以图2中的盘形熔融热子和本发明实施例图1中的环形熔融热子为发热体，建立电子枪的整体结构，并将这两种结构导入有限元软件中，在边界条件和加热功率均相同时，进行有限元热分析。

经过分析得到，对于盘形熔融热子为热源的电子枪，其阴极发射表面的最高温度和最低温度分别为1126.0℃、1105.0℃，二者的平均值为1115.5℃，之差为21.0℃。对于环形熔融热子为热源的电子枪，其阴极发射表面的最高温度和最低温度分别为1112.2℃、1107.2℃，二者的平均值为1109.7℃，之差为5.0℃。由此可知，环形熔融热子为热源时的阴极温度与盘形熔融热子相当，但是阴极发射表面温差由21.0℃降低为5.0℃。

经过分析得到，假定电子枪中的阴极为钡钨阴极，若以盘形熔融热子为热源，则其阴极中心的电流发射密度比边缘高出28.3％；若以环形熔融热子为热源，则其阴极中心的电流发射密度只比边缘高出6.8％。由此可知，后者发射电流的均匀性更好。通过调整加热功率使二者的边缘温度相同时，后者的中心温度可比前者低16.0℃，可有效提高阴极的使用寿命。

可见，本发明实施例中的热阴极组件可明显改善阴极温度的均匀性，并提高阴极的使用寿命。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于真空电子器件的热阴极组件，其特征在于，包括：

阴极，所述阴极为实心球面阴极；

热子单元，所述热子单元位于所述阴极的底部，用于加热所述阴极；以及

支撑件，所述支撑件用于支撑所述阴极和所述热子单元，所述支撑件包括第一支撑筒以及位于所述第一支撑筒的内部的隔离筒，所述隔离筒的尺寸与所述热子单元的环形内部的尺寸相对应，所述隔离筒和所述第一支撑筒共同限定用于容置所述热子单元的环形区域；用于形成所述第一支撑筒和所述隔离筒的材料均包括钼；

所述热子单元为单环环形结构，使得所述阴极的底部的外周部分与所述热子单元直接接触并且所述阴极的底部的中心部分与所述热子单元不接触；所述热子单元包括环形结构的热子和包裹所述热子的烧结瓷，二者经高温烧结后成为一体，形成了单环环形熔融热子的加热结构；

其中，通过调整所述单环环形结构的热子的自旋直径和回转直径，改变阴极与热子单元的环形接触面积，能够提高阴极的温度均匀性。

2.根据权利要求1所述的用于真空电子器件的热阴极组件，其特征在于，所述阴极为浸渍阴极，由铝酸盐浸渍到多孔钨海绵结构中制备而成。

3.根据权利要求1所述的用于真空电子器件的热阴极组件，其特征在于，所述热子由钨丝或钨铼合金丝绕制而成，用于形成所述烧结瓷的材料包括氧化铝。

4.根据权利要求1所述的用于真空电子器件的热阴极组件，其特征在于，所述热阴极组件还包括陶瓷片，所述陶瓷片设置于所述第一支撑筒的内部，所述陶瓷片与所述热子单元的远离所述阴极的一侧紧密接触。

5.根据权利要求4所述的用于真空电子器件的热阴极组件，其特征在于，用于形成所述陶瓷片的材料包括氧化铝。

6.根据权利要求1所述的用于真空电子器件的热阴极组件，其特征在于，所述支撑件还包括第二支撑筒，所述第二支撑筒位于所述第一支撑筒的外围。

7.根据权利要求6所述的用于真空电子器件的热阴极组件，其特征在于，所述第二支撑筒包括多个槽孔，用于减小所述热阴极组件与外围部件的传热效率。

8.根据权利要求6或7所述的用于真空电子器件的热阴极组件，其特征在于，所述阴极与所述第一支撑筒和所述隔离筒之间通过钎焊连接，所述第一支撑筒和所述第二支撑筒之间通过激光焊接连接。

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