CN109979791B - 一种阴极热子组件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阴极热子组件，所述阴极热子组件包括以钨粉为原料，采用选择性激光熔融技术一体化成型的多孔发射体、覆盖所述多孔发射体的致密层、位于所述致密层上方的热子发热体以及位于所述热子发热体上方的热子电位引出结构。该阴极热子组件具有一体化的稳定结构，易于制备获得。本发明还公开了该阴极热子组件的制作方法。

Description

一种阴极热子组件及其制作方法
技术领域
本发明涉及微波真空电子器件领域。更具体地，涉及一种阴极热子组件及其制作方法。
背景技术
阴极是电真空器件的电子源，是器件的核心部件。热阴极是电真空器件中应用最广的一类阴极，它靠热能使阴极内的电子逸出表面，产生电子发射。由不同的加热方式可将热阴极分为直热式和间热式两类，间热式阴极的应用更广泛、发展门类更多。
间热式阴极需要热子加热阴极发射体，即将电子发射和通电加热的工作分别由独立的阴极发射体和热子部件来完成，从而使提高电子发射能力和增强热子的可靠性变为两个独立的重大课题，极大拓展了两者的发展潜力。热子需要紧贴阴极发射体，以保证高效传热。两者虽然功能不同但在结构上不能相隔太远，而应组合成一个整体，即阴极热子组件。
阴极热子组件的基本组成部分为发射体、支持筒和热子。发射体一般由钨粉压制烧结成的多孔发射体与其内部的活性物质组成；支持筒是整体结构的支撑，同时起着隔离发射体和热子的作用，一般由金属钼车削加工而成，两者的连接通过高温钎焊完成。钎焊工艺难度较大：焊料在高温下熔化，必须均匀地铺展在钨多孔发射体底面，在保证将全部底面微孔密封的同时，尽可能少地浸入钨多孔发射体；还要求熔融的焊料流入钨多孔发射体与支持筒缝隙，冷却固化后将两者紧密相连。因此，要做出合格品，要求熔融的焊料必须具备良好的流散性，并且与钼和钨多孔发射体表面的润湿性好；焊料的装填量、钎焊温度和保温时间必须精准控制，否则将产生废品。
热子由难熔金属钨、钼、铼或其合金的丝料绕制而成，通电产生高温，加热阴极发射体。为了在有限的空间内尽可能增加热丝长度使热子具备较高电阻，通常需要绕制多级螺旋，即将初级螺旋丝视作直丝进一步绕制次级螺旋。制备过程中要多次拆装模具并进炉高烧定型，模具的拆装和尾丝的修整靠手工完成，生产效率低、一致性不高。
热子与阴极钼筒的封装连接由绝缘材料完成，而绝缘材料的引入还要分两个阶段：首先要在热丝的表面涂覆绝缘涂层，目的是避免热丝与钼筒发生不可控的多点接触，造成热丝通电短路。随后才能将热丝放入钼筒中并加注绝缘浆料烘干烧结，使两者的孔隙全部被绝缘材料填满。然而制备绝缘涂层的工艺很复杂，包括球磨混料、浆料涂覆和烘干烧结一系列处理。要求涂层无表面缺陷、厚度均匀、具有良好的机械强度并且与热丝牢固结合，否则整个热丝报废。此外，涂层烧结温度较高，容易造成热丝再结晶脆断。
因此，需要提供一种新的阴极热子组件，以降低其工艺实施难度。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种阴极热子组件，该阴极热子组件具有一体化的稳定的结构，工艺实施难度低，克服了现有的间热式阴极各部分组装困难从而造成的产品一致性差，以及产品生产效率低的问题。
本发明的第二个目的在于提供一种阴极热子组件的制作方法，该方法简单，易于实施。
为达到上述第一个目的，本发明提供一种阴极热子组件，所述阴极热子组件包括以钨粉为原料，采用选择性激光熔融技术一体化成型的多孔发射体、覆盖所述多孔发射体的致密层、位于所述致密层上方的热子发热体以及位于所述热子发热体上方的热子电位引出结构。
优选地，所述多孔发射体的密度为纯钨理论密度的70-80％。
优选地，所述多孔发射体的形成方式为：控制多孔发射体的堆积密度和/或直接在形成的结构上构造微孔阵列。
优选地，所述多孔发射体内浸渍有电子发射所需的活性物质。
优选地，所述致密层的密度大于纯钨理论密度的90％。
优选地，所述热子发热体包括串联的多个柱状体。
优选地，所述热子发热体还包括串联所述柱状体的连接柱。
优选地，所述热子电位引出结构的横截面积大于所述柱状体的横截面积。
优选地，所述阴极热子组件还包括用于固定所述致密层与热子发热体的相对位置的支撑体。
优选地，所述支撑体位于所述致密层和热子发热体之间。
更优选地，所述支撑体为多柱阵列结构。
更优选地，所述多柱阵列结构包括垂直于所述致密层的直柱体和/或斜柱体。
优选地，所述阴极热子组件还包括位于各柱状体之间的绝缘填料。
优选地，所述阴极热子组件还包括沉积在所述多孔发射体发射表面上的锇贵金属膜。
为达到上述第二个目的，本发明提供一种阴极热子组件的制作方法，该方法包括如下步骤：
建立所述阴极热子组件结构的三维模型；
以钨粉为原料，采用选择性激光熔融技术，依据所述三维模型，一体化成型制作得到所述阴极热子组件。
优选地，所述方法还包括，在采用选择性激光熔融技术一体化成型后得到的热子发热体的串联的柱状体间灌注烧结绝缘材料、在多孔发射体内浸渍有电子发射所需的活性物质、以及在多孔发射体发射表面上沉积锇贵金属膜。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的阴极热子组件具有一体化的稳定的结构，适用于增材制造，且工艺实施难度低，克服了现有的间热式阴极各部分组装困难从而造成的产品一致性差，以及产品生产效率低的问题，且该组件具有更优的阴极电子发射性能。
其次，本发明中的阴极热子组件因具有一体化成型的结构，从而避免各个零件研制周期的不同步对组件整体生产效率的影响。省去了传统间热式阴极多孔发射体与钼支持筒的钎焊连接工艺，以及热子绝缘涂层的涂覆烧结工艺，而这两道工艺难度大，对操作人员要求高，容易产生废品。因此，新型组件的一体化制造有助于提高整体产出效率和成品率。
此外，该阴极热子组件的阴极发射体的生产效率和性能得到提升。由于采用逐层堆积的增材制造技术，可快速成型多种不同形状的发射体，而不用在模具中灌压粉末并烧结，以及后续的车制加工。因而可以省去模具的加工周期，省去浸铜和去铜工艺。该技术可直接控制发射体的微孔结构和分布，进而控制浸渍在孔内的活性物质的分布，使阴极的电子发射更均匀。
进一步地，该阴极热子组件一体化的结构提高了热子的生产效率和性能。热子逐层堆积成形而不需要使用模具，省去了模具加工的设计制造过程。热子的电位引出端可以堆积成横截面积更大的异形结构，如单根热丝难以构造的平台或沟槽，这样能够降低热子电位引出端的热损耗，同时方便与电子枪热子电位引出带的焊接。
本发明提供的阴极热子组件的制作方法简单，成品率和生产效率高，研制周期短。与现有技术相比：
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示出本发明实施例中一种阴极热子组件的结构示意图。
图2示出本发明实施例中制作阴极热子组件的后处理流程图。
具体实施方式
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。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。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。
一方面，本发明的一个实施方式提供一种阴极热子组件，其结构如图1所示，所述阴极热子组件包括以钨粉为原料，采用选择性激光熔融技术一体化成型的多孔发射体1、覆盖所述多孔发射体1的致密层2、位于所述致密层2上方的热子发热体4以及位于所述热子发热体4上方的热子电位引出结构5。
该阴极热子组件的结构采用增材制造方式中的选择性激光熔融(SLM)技术一体化成型的结构稳定性好，具有简单易实施的成型工艺，克服了现有的间热式阴极各部分组装困难从而造成的产品一致性差，以及产品生产效率低的问题。
在一个优选示例中，所述多孔发射体1的密度为纯钨理论密度的70-80％，以便于发射体更好的发射电子。进一步地，在又一个优选示例中，所述多孔发射体1的形成方式为：控制多孔发射体1的堆积密度和/或直接在形成的结构上构造微孔阵列。也即，通过控制选择性激光熔融技术堆积多孔发射体时的堆积密度即可形成具有一定密度的多孔发射体，或者通过密堆的柱体构造微孔阵列，从而形成具有一定密度的多孔发射体，或者，采用前述两种方法结合的方式形成该多孔发射体。多孔发射体1的形状可根据所需电子注的形状进行设计，也即根据实际需要进行调整。即如果需要圆形电子注，则多孔体的底面为圆形；若需要椭圆形电子注，则多孔体的底面为椭圆形；若需要环形电子注，则多孔体的底面为环形。
由于采用逐层堆积的增材制造技术一体化成型，快速的成型多种不同形状的多孔发射体，而不用在模具中灌压粉末并烧结，以及后续的车制加工。因而可以省去模具的加工周期，省去浸铜和去铜工艺。可直接控制发射体的微孔结构和分布，进而控制浸渍在孔内的活性物质的分布，使阴极的电子发射更均匀，性能更优。
进一步地，在多孔发射体1内浸渍电子发射所需的活性物质，从而得到阴极发射体。其中活性物质的选择可为本领域电子发射所需的常规选择。在一个优选示例中，所述活性物质为摩尔比为5:3:2的BaO、CaO和Al2O3。
在一个优选示例中，所述致密层2的密度大于纯钨理论密度的90％。致密层2堆积在多孔发射体1上表面，保证其致密的结构，以便其能更好的起到隔离(如防止多孔发射体中浸渍的活性物质溢出)的效果。
热子发热体即为提供热的结构。在一个优选示例中，所述热子发热体4包括串联的多个柱状体41。柱状体41可以阵列的形式存在，其形状包括可为长的直柱等。串联的柱状体形成具有一定电阻的发热体。在进一步的优选示例中，所述热子发热体4还包括串联所述柱状体41的连接柱42。该连接柱可为带有一定角度的斜柱。
热子电位引出结构与热子发热体相连，在一个优选示例中，热子电位引出结构5可为所述多个柱状体41中的一个的顶端继续向上堆积而成。对热子电位引出结构5的形状无其他要求，其可以是更粗的柱状体，也可以是其它不规则形状。在又一个优选示例中，热子电位引出结构5的横截面积大于所述柱状体41的横截面积，从而降低电阻率减少发热量。
采用SLM技术一体化成型的热子发热体及热子电位引出结构逐层堆积成形而不需要使用模具，省去了模具加工的设计制造过程。热子电位引出结构可以堆积成横截面积更大的异形结构，如单根热丝难以构造的平台或沟槽，这样能够降低热子电位引出端的热损耗，同时方便与电子枪热子电位引出带的焊接。
在一个优选示例中，所述阴极热子组件还包括用于固定所述致密层2与热子发热体4 的相对位置的支撑体3。其中，支撑体3位于所述致密层2和热子发热体4之间。在一个优选示例中，所述支撑体3为多柱阵列结构，其可为垂直于所述致密层2的直柱体和/或斜柱体，还可以为变径柱体。该支撑体3的一端与所述致密层2相连，另一端与所述热子发热体4相连，如热子发热体4的一个柱状体。一体化形成的支撑体的存在可以避免各个零件研制周期的不同步对组件整体生产效率的影响。省去了现有的间热式阴极中阴极多孔体与钼支持筒的钎焊连接工艺。
在一个优选示例中，所述阴极热子组件还包括位于各柱状体41之间的绝缘填料。绝缘填料填充在热子发热体各柱状体之间，避免了热子发热体中串联的柱状体发生不可控的多点接触，造成短路。
在又一个优选示例中，所述阴极热子组件还包括沉积在所述多孔发射体1发射表面上的锇贵金属膜。
另一方面，本发明的一个实施方式提供上述阴极热子组件的制作方法，该制作方法包括如下步骤：
建立所述阴极热子组件结构的三维模型；
以钨粉为原料，采用选择性激光熔融技术，依据所述三维模型，一体化成型制作得到所述阴极热子组件。
上述第一个方面提供的阴极热子组件的结构适应于增材制造。因此采用该制作方法所能带来的效果如上第一个方面阴极热子组件中所述。
在一个优选示例中，
所述方法还包括，在采用选择性激光熔融技术一体化成型后得到的热子发热体的串联的柱状体间灌注烧结绝缘材料，从而防止各柱间发生短路。
在多孔发射体内浸渍有电子发射所需的活性物质。
以及在多孔发射体发射表面上沉积锇贵金属膜。
以下，结合一个具体实施例来进行说明：
实施例1
一种阴极热子组件的制作方法：
将三维模型文件输入SLM设备进行分层离散的数据处理，用激光照射熔融钨粉自下而上精确堆积：
最底层为阴极发射体的多孔发射体1，将密度控制在纯钨理论密度的75％左右，随后在上面继续堆积一层致密层2，密度达到纯钨理论密度的90％以上；
继续堆积支撑体3，支撑体3是斜柱和直柱的阵列，直接在致密层2上堆积生长；支撑体3每个柱的顶面分成两个短小斜柱，并继续向上堆积形成热子发热体4的柱体阵列，各个柱的顶端与相邻的柱通过斜柱接触融合；
热子电位引出结构5从热子发热体4的两根直柱顶端继续向上堆积，其横截面的面积大于热子发热体4直柱的横截面积；
整个组件通过SLM设备制作完成后，参照图2进行后处理，具体的步骤为：
使用激光焊接机将图1中多余的支撑体3熔断，保证热子发热体达到目标电阻值，焊接机的工作电流不低于100mA；
在热子发热体4的柱体之间灌注氧化铝并烧结，保证绝缘；
在多孔发射体1中浸渍活性物质，活性物质的摩尔比为BaO:CaO:Al2O3＝5:3:2；
在多孔发射体1的下表面用等离子体溅射沉积一层厚度为1μm的锇膜。
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 (15)

1.一种阴极热子组件，其特征在于，所述阴极热子组件包括以钨粉为原料，采用选择性激光熔融技术一体化成型的多孔发射体、覆盖所述多孔发射体的致密层、位于所述致密层上方的热子发热体以及位于所述热子发热体上方的热子电位引出结构；
其中，所述热子发热体包括串联的多个柱状体。
2.根据权利要求1所述的阴极热子组件，其特征在于，所述多孔发射体的密度为纯钨理论密度的70-80%。
3.根据权利要求1所述的阴极热子组件，其特征在于，所述多孔发射体的形成方式为：控制多孔发射体的堆积密度和/或直接在形成的结构上构造微孔阵列。
4.根据权利要求1所述的阴极热子组件，其特征在于，所述多孔发射体内浸渍有电子发射所需的活性物质。
5.根据权利要求1所述的阴极热子组件，其特征在于，所述致密层的密度大于纯钨理论密度的90%。
6.根据权利要求1所述的阴极热子组件，其特征在于，所述热子发热体还包括串联所述柱状体的连接柱。
7.根据权利要求6所述的阴极热子组件，其特征在于，所述热子电位引出结构的横截面积大于所述柱状体的横截面积。
8.根据权利要求1所述的阴极热子组件，其特征在于，所述阴极热子组件还包括用于固定所述致密层与热子发热体的相对位置的支撑体。
9.根据权利要求8所述的阴极热子组件，其特征在于，所述支撑体位于所述致密层和热子发热体之间。
10.根据权利要求8所述的阴极热子组件，其特征在于，所述支撑体为多柱阵列结构。
11.根据权利要求10所述的阴极热子组件，其特征在于，所述多柱阵列结构包括垂直于所述致密层的直柱体和/或斜柱体。
12.根据权利要求6所述的阴极热子组件，其特征在于，所述阴极热子组件还包括位于各柱状体之间的绝缘填料。
13.根据权利要求1所述的阴极热子组件，其特征在于，所述阴极热子组件还包括沉积在所述多孔发射体发射表面上的锇贵金属膜。
14.如权利要求1-13任一项所述的阴极热子组件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立所述阴极热子组件结构的三维模型；
以钨粉为原料，采用选择性激光熔融技术，依据所述三维模型，一体化成型制作得到所述阴极热子组件。
15.根据权利要求14所述的制作方法，其特征在于，所述方法还包括，在采用选择性激光熔融技术一体化成型后得到的热子发热体的串联的柱状体间灌注烧结绝缘材料、在多孔发射体内浸渍有电子发射所需的活性物质、以及在多孔发射体发射表面上沉积锇贵金属膜。
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