CN109065420A - 一种具有三维结构表面的热阴极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有三维结构表面的热阴极及其制备方法，属于真空元器件技术领域。所述热阴极包括浸渍铝酸盐的多孔钨基和形成于多孔钨基表面的贵重金属薄膜，所述多孔钨基的发射表面开槽形成规则排列的凹陷结构。本发明还公开了该热阴极的制备方法。本发明提供的热阴极可增加阴极电子发射面的有效面积，从而显著提高阴极的电流发射强度，为真空微波器件的理想电子源。
Description
技术领域
本发明涉及真空元器件技术领域。更具体地，涉及一种具有三维结构表面的热阴极及其制备方法。
背景技术
热阴极是真空微波器件中的核心部件，作为真空器件的电子源，其发射特性直接决定了真空器件的性能。随着高频率微波技术的发展，高频率和高功率真空微波器件对热阴极的电子发射性能提出了更高的要求。微波器件的工作频率越高，器件的体积就越小，相应地阴极的尺寸也在逐渐减小，同时所需阴极的发射电流密度也越大，因此大电流密度阴极是制备高频率真空微波器件的前提。
目前，钪酸盐阴极具有最高的电子发射能力，实验室制备的钪酸盐阴极的电流发射密度可达到150A/cm2以上，而且钪酸盐阴极已应用于部分微波器件。但是钪酸盐阴极发射电子束的稳定性相对较差，同时抗离子轰击能力弱，打火后阴极的电子发射能力损伤严重且很难恢复，所以在高性能的微波器件中仍采用发射能力相对较弱的钡钨阴极或覆膜钡钨阴极。提高钡钨阴极或覆膜钡钨阴极的电子发射能力仍然是制备高性能微波器件的关键。
阴极发射电流I计算公式为
I＝S*J (1)
其中，S为阴极发射面有效面积，J为阴极发射电流密度。由此可见，提高阴极发射电流密度是提高阴极发射电流最直接的方式。提高阴极发射电流密度的方式主要有改善铝酸盐中氧化钙、氧化钙和氧化铝的混合比例以及改善钨粉颗粒度的一致性和钨海绵的孔隙度，通过这几种方式阴极的性能已得到了一定程度上的提升，但是对阴极性能的改善程度相对较小。因此，需要提供一种可有效提高阴极发射电流强度的热阴极及其制备方法。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种具有三维结构表面的热阴极，该热阴极可增加阴极电子发射面的有效面积，从而显著提高阴极的电流发射强度。
本发明的第二个目的在于提供一种如上所述的热阴极的制备方法。
为达到上述第一个目的，本发明提供一种具有三维结构表面的热阴极包括浸渍铝酸盐的多孔钨基和形成于多孔钨基表面的贵重金属薄膜，所述多孔钨基的发射表面开槽形成规则排列的凹陷结构。
优选地，所述凹陷结构包括若干V型沟道。
优选地，所述沟道的上部宽度为5～50μm，深度为5～100μm，间距为5～100μm。
优选地，所述沟道单向排列或相互交叉排列。
优选地，所述多孔钨基的孔隙度为20％～30％。
优选地，所述铝酸盐包括如下重量百分比的组分：BaO 60％～75％，CaO10％～20％，Al2O3 10％～25％。
优选地，所述贵重金属薄膜厚度为0～2μm。
优选地，所述贵重金属材料为锇、锇-铼合金、锇-钌合金或锇-铱-铝合金。
为达到上述第二个目的，本发明还提供一种如上所述的热阴极的制备方法，包括以下步骤：
在多孔钨基中浸渍铝酸盐，车制出平滑的多孔钨基表面；
利用激光加工技术在多孔钨基表面开槽形成规则排列的凹陷结构；
将多孔钨基放入氢炉进行高温退火；
在多孔钨基表面施加贵重金属薄膜。
优选地，在多孔钨基表面施加贵重金属薄膜的方法为等离子溅射法。
本发明的有益效果如下：
本发明通过在钡钨阴极或覆膜钡钨阴极表面加工规则排列的凹陷结构，来增加阴极电子发射面的有效面积，显著地提高了阴极的电流发射强度，还保留了钡钨阴极或覆膜钡钨阴极一致性高、发射稳定和抗离子轰击能力强等特点，为真空微波器件的理想电子源。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出多孔钨基表面单向排列的沟道结构示意图；
图2示出多孔钨基表面相互交叉排列的沟道结构示意图；
图3示出本发明对比例1中平面多孔钨基表面的显微形貌；
图4示出本发明实施例1中多孔钨基表面的显微形貌；
图5示出本发明实施例2中多孔钨基表面的显微形貌；
图6示出实施例1和对比例1提供的阴极发射I-V曲线；
图7示出实施例2和对比例1提供的阴极发射I-V曲线；
图8示出实施例3和对比例1提供的阴极发射I-V曲线。
具体实施方式
现有技术中，钪酸盐阴极发射电子束的稳定性相对较差，抗离子轰击能力弱，打火后阴极的电子发射能力损伤严重且很难恢复。在高性能的微波器件中，一般仍采用钡钨阴极或覆膜钡钨阴极。通常通过提高阴极发射电流密度来提高钡钨阴极或覆膜钡钨阴极发射电流的强度，但是现有的几种可提高阴极发射电流密度的方法，对阴极性能的改善程度相对较小。针对以上问题，本发明提供一种可有效提高阴极发射电流强度的热阴极及其制备方法，具体的技术方案如下所述。
一方面，本发明提供一种具有三维结构表面的热阴极，包括浸渍铝酸盐的多孔钨基和形成于多孔钨基表面的贵重金属薄膜，所述多孔钨基的发射表面开槽形成规则排列的凹陷结构。
与传统光滑平面或球面的热阴极相比，具有凹陷结构的三维结构表面可大幅度增加热阴极表面有效电子发射面积，提高阴极的电流发射强度，同时由于所述凹陷结构规则排列，可有效避免阴极受损，保证本发明提供的热阴极同样具有钡钨阴极和覆膜钡钨阴极的一致性高、抗离子轰击能力强等优点，是一种理想的高性能真空器件电子源。
优选地，所述凹陷结构包括若干V型沟道。进一步地，所述沟道的上部宽度为5～50μm，深度为5～100μm，间距为5～100μm。更进一步地，所述沟道单向排列或相互交叉排列。在多孔钨基表面表面设置若干周期性规则排列的V型沟道，实现阴极表面由二维平面转变为三维平面，可以有效增加热阴极表面有效电子发射面积，从而提高阴极的电流发射强度。本领域技术人员可以理解的是，所述多孔钨基表面的周期性三维结构并不局限于如上所述的V型沟道，还可以根据实际需要设计成其它结构形式，例如U型沟道结构，本发明对此不做进一步限制。
本发明中多孔钨基的孔隙度可以根据实际情况进行确定，优选地，所述多孔钨基的孔隙度为20％～30％，例如孔隙度可以为25％，28％或30％。需要说明的是，本发明中所述孔隙度还可以采用压汞法、排水法、排气法等手段进行表征。
优选地，所述铝酸盐包括如下重量百分比的组分：BaO 60％～75％，CaO10％～20％，Al2O3 10％～25％。
优选地，所述贵重金属薄膜厚度为0～2μm，其中，所述贵重金属薄膜厚度不为0。例如，薄膜厚度可以为0.5μm，1μm，1.5μm，1.8μm，形成覆膜钡钨阴极；薄膜厚度也可以为0μm，即多孔钨基表面表面不覆膜，即形成钡钨阴极。当多孔钨基表面表面覆贵重金属薄膜时，进一步优选地，所述贵重金属材料为锇、锇-铼合金、锇-钌合金和锇-铱-铝合金中的任意一种，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
为达到上述第二个目的，本发明还提供一种如上所述的热阴极的制备方法，包括以下步骤：
在多孔钨基中浸渍铝酸盐，车制出平滑的多孔钨基表面；
利用激光加工技术在多孔钨基表面加工周期性三维结构；
将多孔钨基放入氢炉进行高温退火；
在多孔钨基表面施加贵重金属薄膜。
进一步地，所述制备方法还包括对施加贵重金属薄膜后的多孔钨基进行除气、激活，得到热阴极。
本发明的制备方法中，浸渍是指将多孔钨基浸泡在含有铝酸盐的熔融溶液中，接触一定的时间后分离残液。这样，铝酸盐就以离子或化合物的形式附着在多孔钨基上。
在多孔钨基表面施加贵重金属薄膜的方法优选为等离子溅射法，本领域技术人员也可以根据实际需要选用其它的施加薄膜方法，例如蒸发镀膜或溅射镀膜。
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种具有三维结构表面的热阴极及其制备方法，所述的三维结构表面的热阴极由浸渍铝酸盐的多孔钨基和形成于多孔钨基表面的贵重金属薄膜组成，所述多孔钨基的发射表面开槽形成规则排列的凹陷结构。所述多孔钨基孔隙度为25％，铝酸盐BaO、CaO和Al2O3的混合比例为66％，11％，23％。多孔钨基表面的凹陷结构为若干周期性排列的V型沟道，所述沟道为单方向排列，沟道上部宽度5μm，沟道深度5μm，沟道间距为5μm；所述贵重金属为锇，厚度0.5μm。
该热阴极的制备方法如下：
第一步，在多孔钨基中浸渍铝酸盐，并车制出平滑的多孔钨基表面；
第二步，使用激光加工技术在多孔钨基表面加工单向平行排列的沟道结构，其表面结构示意图如图1所示，其表面显微形貌如图4所示；
第三步，将表面存在沟道结构的多孔钨基放入氢炉，进行高温退火；
第四步，使用等离子溅射法在多孔钨基表面施加锇金属薄膜；
第五步，对覆膜后的材料进行除气、激活，并测试其电流发射特性，测试结果如图6所示。
从图6中可看出，在相同制备和测试工艺条件下，与传统平面阴极相比，具有三维结构表面的阴极可具有更高的电子发射性能。
实施例2
本实施例提供一种具有三维结构表面的热阴极及其制备方法，所述的热阴极由浸渍铝酸盐的多孔钨基和形成于多孔钨基表面的贵重金属薄膜组成，其中所述多孔钨基的发射表面开槽形成规则排列的凹陷结构。
多孔钨基孔隙度为25％，铝酸盐BaO、CaO和Al2O3的混合重量百分比为66％，11％，23％。多孔钨基表面沟道结构为若干周期性规则排列的V型沟道，所述沟道为正交方向的周期结构，沟道上部宽度35μm，沟道深度100μm，沟道间距为50μm；贵重金属为锇，厚度2μm。
具有三维结构表面的热阴极的制备方法如下：
第一步，在多孔钨基中浸渍铝酸盐，并车制出平滑的多孔钨基表面；
第二步，使用激光加工技术在多孔钨基表面加工正交方向周期性沟道结构，其表面结构示意图如图2所示，其表面显微形貌如图5所示；
第三步，将表面存在沟道结构的多孔钨基放入氢炉，进行高温退火；
第四步，使用等离子溅射法在多孔钨基表面施加锇金属薄膜；
第五步，对覆膜后的材料进行除气、激活，并测试其电流发射特性，测试结果如图7所示。
从图7中可看出，在相同制备和测试工艺条件下，与传统平面阴极相比，具有三维结构表面的热阴极可具有更高的电子发射性能。
实施例3
本实施例提供一种具有三维结构表面的热阴极及其制备方法，所述的三维结构表面的热阴极由浸渍铝酸盐的多孔钨基和形成于多孔钨基表面的贵重金属薄膜组成，所述多孔钨基的发射表面开槽形成规则排列的凹陷结构。。
所述多孔钨基孔隙度为25％，铝酸盐BaO、CaO和Al2O3的混合比例为66％，11％，23％。多孔钨基表面沟道结构为若干周期性规则排列的V型沟道，所述沟道为相互交叉排列的结构，沟道上部宽度35μm，沟道深度50μm，沟道间距为35μm；贵重金属为锇-铱-铝，厚度0.5μm。
三维结构表面阴极的制备方法如下：
第一步，在多孔钨基中浸渍铝酸盐，并车制出平滑的多孔钨基表面；
第二步，使用激光加工技术在多孔钨基表面加工正交方向周期性沟道结构；
第三步，将表面存在沟道结构的多孔钨基放入氢炉，进行高温退火；
第四步，使用等离子溅射法在多孔钨基表面施加锇-铱-铝金属薄膜；
第五步，对覆膜后的材料进行除气、激活，并测试其电流发射特性，测试结果如图8所示。
从图8中可看出，在相同制备和测试工艺条件下，与传统平面阴极相比，是三维结构表面的阴极可具有更高的电子发射性能。
对比例1
本对比例提供一种传统阴极及其制备方法，所述传统阴极由浸渍铝酸盐的多孔钨基和贵重金属薄膜组成，其中多孔钨基表面为平面结构。所述多孔钨基孔隙度为25％，铝酸盐BaO、CaO和Al2O3的混合比例为66％，11％，23％。
该热阴极的制备方法如下：
第一步，在多孔钨基中浸渍铝酸盐，并车制出平滑的多孔钨基表面，表面显微形貌如附图3所示；
第二步，使用等离子溅射覆膜的方法在多孔钨基表面覆锇金属薄膜；
第三步，对覆膜后的材料进行除气、激活，并测试其电流发射特性，测试结果如图6、7、8中所示。
从图中可看出，在相同制备和测试工艺条件下，传统平面阴极与实施例1、实施例2和实施例3中提供的具有三维结构表面的阴极相比，其电子发射性能明显降低。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种具有三维结构表面的热阴极，包括浸渍铝酸盐的多孔钨基和形成于多孔钨基表面的贵重金属薄膜，其特征在于，所述多孔钨基的发射表面开槽形成规则排列的凹陷结构。
2.根据权利要求1所述的热阴极，其特征在于，所述凹陷结构包括若干V型沟道。
3.根据权利要求2所述的热阴极，其特征在于，所述沟道的上部宽度为5～50μm，深度为5～100μm，间距为5～100μm。
4.根据权利要求2所述的热阴极，其特征在于，所述沟道单向排列或相互交叉排列。
5.根据权利要求1所述的热阴极，其特征在于，所述多孔钨基的孔隙度为20％～30％。
6.根据权利要求1所述的热阴极，其特征在于，所述铝酸盐包括如下重量百分比的组分：BaO 60％～75％，CaO 10％～20％，Al2O3 10％～25％。
7.根据权利要求1所述的热阴极，其特征在于，所述贵重金属薄膜厚度为0～2μm。
8.根据权利要求1所述的热阴极，其特征在于，所述贵重金属材料为锇、锇-铼合金、锇-钌合金或锇-铱-铝合金。
9.一种如权利要求1-8任一所述的热阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在多孔钨基中浸渍铝酸盐，车制出平滑的多孔钨基表面；
利用激光加工技术在多孔钨基表面开槽形成规则排列的凹陷结构；
将多孔钨基放入氢炉进行高温退火；
在多孔钨基表面施加贵重金属薄膜。
10.根据权利要求9所述的热阴极的制备方法，其特征在于，在多孔钨基表面施加贵重金属薄膜的方法为等离子溅射法。
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| CN114429892A (zh) * | 2020-10-29 | 2022-05-03 | 中国科学院微电子研究所 | 热电子发射阴极及其组成的热电子和离子发射装置 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US4393328A (en) * | 1979-11-09 | 1983-07-12 | Thomson-Csf | Hot cathode, its production process and electron tube incorporating such a cathode |
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| CN101145490A (zh) * | 2007-08-03 | 2008-03-19 | 安徽华东光电技术研究所 | 一种行波管浸渍钡钨阴极及其制备方法 |
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-
2018
- 2018-08-09 CN CN201810900938.7A patent/CN109065420A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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