CN111243917B - 一种阴极热子组件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种阴极热子组件及其制备方法。所述制备方法包括：将预设厚度的金属片进行裁剪，得到矩形金属条，将所述矩形金属条作为热子；将所述热子焊接于阴极基底表面，该表面为与所述阴极基底的发射面相对立的表面。本发明的阴极热子组件结构简单，制备的阴极热子组件成品率高、预热时间短、不会短路、体积小、热效率高、加热温度高、加热均匀、耐震动性能好、抗热冲击性能好、可靠性高、制造方法简单。

Description

一种阴极热子组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及微波器件技术领域，特别是涉及一种阴极热子组件及其制备方法。
背景技术
微波真空电子器件广泛应用于雷达、卫星通信、电子加速器、全球定位、可控热核聚变及未来军事前沿的高功率微波武器等方面，其独特的功能和优越的性能，特别是在大功率和高频段的情况下，是其他器件所不能取代的。历经数十年的发展，虽然常规微波真空电子器件及相关技术的理论已基本成熟，然而现代高技术微波器件对微波信号的功率、频率、带宽等工作特性不断提出新的发展需求。这些需求主要表现在要求更高的频率、更大的功率、更宽的频带、更高的效率和新的工作特性，从而对微波真空电子器件及相关技术的发展提出了新的挑战和发展机遇。而担当电子发射的阴极热子组件又是微波真空电子器件中最为核心的部分，它的性能好坏将直接影响微波源的输出性能和寿命，进而影响卫星及高功率微波器件的性能和寿命。因此研究新型阴极热子组件，对于推动卫星通信及高功率微波器件等技术的发展具有十分重要的意义。
近些年来微波器件的快速启动和长寿命的要求对阴极热子组件性能提出更高的技术挑战，需要在如何缩短预热时间，降低加热功率方面做大量深入细致的研究工作。通常阴极热子组件的结构如图1所示，其包括：与阴极基底1连接的绝缘阴极筒2，位于所述绝缘阴极筒2中的加热丝4。其中热子材料一般选用钨或钨合金，如钨钼、钨铼、钨铝等。传统阴极热子组件的常规制备方法是：1.绕丝：利用绕丝机和热子专用模具将钨或钨合金丝绕制成所需结构和电阻的热子。2.定形：将固定在定形模具上的热子摆放在钼舟中，放入氢炉加热电压升到1400℃，维持10分钟后断电冷却到室温后取出。3.利用电泳仪对热子进行电泳，然后烘干；4.将电泳好热子放入氢炉加热到1700℃左右，维持10分钟后断电冷却到室温后取出。5.将电泳烧结好的热子放入清洗干净的钼筒内。6.将销绵调制好绝缘材料的浆料(如氧化铝、掺杂氧化铝、氮化硼等)放入钼筒内，然后烘干。7.将填充好绝缘材料的热子组件放入氢炉，加热到1700℃左右，维持10分钟后断电冷却到室温后取出。8.将阴极筒背面和侧面涂抹上用有机溶剂(如硝棉，甘油等)调好的焊料浆。9.将浸入发射物质的阴极基体放入阴极筒中，放入高温炉中，加热到焊料熔点，维持1-3分钟。高温焊料应选用熔点在1500℃-2000℃之间的与阴极钼筒和阴极基体都浸润的金属或合金材料(如钼-镍、钼-钌等)。
然而这种传统的阴极热子组件具有许多缺陷，如预热时间长、可靠性差、体积大、效率低、有磁场、制备工艺复杂等。
发明内容
(一)要解决的技术问题
传统的阴极热子组件具有许多缺陷，如预热时间长、可靠性差、体积大、效率低、有磁场、制备工艺复杂等。
(二)技术方案
第一方面，本发明提供了一种阴极热子组件的制备方法，所述制备方法包括：将预设厚度的金属片进行裁剪，得到矩形金属条，将所述矩形金属条作为热子；将所述热子焊接于阴极基底表面，该表面为与所述阴极基底的发射面相对立的表面。。
可选地，所述热子的材料为钨、钼、钽、钨铼合金或钼铼合金。
可选地，所述将预设厚度的金属片进行裁剪，得到矩形金属条，包括：将厚度为0.01～0.1mm的金属片进行裁剪，使所述金属片的宽度与阴极基底直径一致，并使所述金属片的长度为阴极基底直径的3～10倍。
可选地，所述将预设厚度的金属片进行裁剪，得到矩形金属条，包括：将厚度为0.05mm的金属片进行裁剪，使所述金属片的宽度为2mm，并使所述金属片的长度为阴极基底直径的3.5倍。
可选地，所述将所述热子焊接于阴极基底表面，包括：在所述热子与所述阴极基底之间加入焊料，利用焊料将所述热子焊接于阴极基底表面。
可选地，所述焊料为阴极基底和热子都浸润的金属或合金材料。
可选地，所述焊料为铂、钨钴合金。
可选地，所述焊接为电阻焊焊接、激光焊接、或电子束焊接。
第二方面，本发明提供了一种阴极热子组件，所述组件包括：阴极，以及焊接于所述阴极表面的热子；其中，所述阴极包括阴极基底，所述热子的厚度为0.01～0.1mm，所述热子的宽度与阴极基底直径一致，所述热子的长度为阴极基底直径的3～10倍。
可选地，所述热子的材料为钨、钼、钽、钨铼合金或钼铼合金。
(三)有益效果
(1)本发明的阴极热子组件结构简单，制备的阴极热子组件成品率高、预热时间短、不会短路、体积小、热效率高、加热温度高、加热均匀、耐震动性能好、抗热冲击性能好、可靠性高、制造方法简单。
(2)本发明热子的宽度与阴极的直径相当，热子长度为阴极直径的3-10倍左右，其长度不可过长或过短，否则会降低热效率、增大体积、可靠性变差等弊端。
(3)本发明的阴极热子组件热效率高，预热时间短，并且，传统阴极热子组件在1300℃的情况下很难长时间加热，而本申请的阴极热子组件可以在1800℃的情况下长时间加热。
附图说明
图1是现有技术的阴极热子组件结构示意图；
图2是本发明实施例提供的阴极热子组件中阴极结构示意图。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本发明实施例提供了一种阴极热子组件的制备方法，所述制备方法包括：将预设厚度的金属片进行裁剪，得到矩形金属条，将所述矩形金属条作为热子5；将所述热子5焊接于阴极基底1表面，该表面为与所述阴极基底1的发射面相对立的表面。即在图2所示的视角下，阴极基底1的上表面为发射面，下表面则为与发射面相对立的表面。此时，热子5焊接于阴极基底1下表面。
本发明中作为金属带材料须满足以下几个条件：1、在工作温度或处理过程中所需的高温下，蒸发率小。2、与阴极金属材料的膨胀系数相近。3、化学稳定性好，不与极基金属等材料发生化学反应。4、电阻率高。5、导热率低。
由此，所述热子5的材料为钨、钼、钽、钨铼合金或钼铼合金。
金属片即热子的尺寸根据阴极的尺寸而定，热子的宽度与阴极的直径相当，热子的长度大于阴极直径，热子的尺寸不可过长或过短，当热子的尺寸过长时，该热子容易变形，而当热子尺寸过短，则会导致传热差，影响阴极散热。即会降低热效率、增大体积、可靠性变差等弊端，热子长度一般在阴极直径的3-10倍左右。
在一种可行的方式中，所述将预设厚度的金属片进行裁剪，得到矩形金属条，包括：将厚度为0.01～0.1mm的金属片进行裁剪，使所述金属片的宽度与阴极基底1直径一致，并使所述金属片的长度为阴极基底1直径的3～10倍。
在又一种可行的方式中，所述将预设厚度的金属片进行裁剪，得到矩形金属条，包括：将厚度为0.05mm的金属片进行裁剪，使所述金属片的宽度为2mm，并使所述金属片的长度为阴极基底1直径的3.5倍，即7mm。
另外，所述将所述热子5焊接于阴极基底1表面，包括：在所述热子5与所述阴极基底1之间加入焊料，利用焊料将所述热子5焊接于阴极基底1表面。具体地，所述焊料为阴极基底1和热子5都浸润的金属或合金材料。例如，所述焊料为铂、钨钴合金。并且，所述焊接为电阻焊焊接、激光焊接、或电子束焊接。在焊接阴极时可以利用模具和工具显微镜等控制阴极和热子之间的相对位置等，使得阴极的焊接位置更加精确。
由此，通过上述的制备方法，可以便捷、简单地制造成高可靠、小体积、高效率、加热均匀的热子组件。
本发明另一个实施例还提供了一种阴极热子组件，参见图2，所述组件包括：阴极，以及焊接于所述阴极背表面的热子5；其中，所述阴极包括阴极基底1，所述热子5焊接于所述阴极基底1背表面，所述热子5的厚度为0.05mm，所述热子5的宽度与阴极基底1直径一致，所述热子5的长度为阴极基底1直径的3～10倍。所述热子5的材料为钨、钼、钽、钨铼合金或钼铼合金。
本申请的阴极热子组件热效率高，预热时间短，并且，传统阴极热子组件在1300℃的情况下很难长时间加热，而本申请的阴极热子组件可以在1800℃的情况下长时间加热。
下面，通过几个具体实施例对本发明的技术方案进行进一步说明：
实施例一：
本实施例提供一种阴极热子组件，参见图2，所述组件包括：阴极，以及焊接于所述阴极背表面的热子5；其中，所述阴极包括阴极基底1，所述热子5焊接于所述阴极基底1表面，所述热子5的厚度为0.05mm，所述热子5的宽度与阴极基底1直径一致为2mm，所述热子5的长度为阴极基底1直径的3.5倍。所述热子5的材料为钨。
实施例二：本实施例提供一种阴极热子组件制备方法。该方法包括下列步骤：
步骤1、将厚度为0.05mm的钽金属片裁剪成所需尺寸的热子，带状的金属条(即矩形金属条)；金属条的宽度与阴极尺寸一致，为2mm；长度为阴极直径的3.5倍，即7mm。该金属条即为热子。
步骤1、将直径为2mm的阴极基体通过激光焊接方法焊接在金属带上。
实施例三：
将通过本发明实施例二制备得到的阴极热子组件与传统阴极热子组件进行温度与加热功率比较。结果如表1所示。
表1传统阴极热子组件和本申请的阴极热子组件的温度与加热功率的关系表
Figure BDA0002373437990000061
从表1可以看出，本申请的阴极热子组件的加热功率比传统阴极热子组件的加热功率降低了约30％。这是因为本申请的阴极热子组件近似于直热式阴极，所以它的热效率高，预热时间短。
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
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，所应理解的是，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 (5)

1.一种阴极热子组件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
将厚度为0.01～0.1mm的金属片进行裁剪，得到矩形金属条包括：将厚度为0.05mm的金属片进行裁剪，使所述金属片的宽度为2mm，并使所述金属片的长度为阴极基底(1)直径的3.5倍；将所述矩形金属条作为热子(5)；
将所述热子(5)焊接于阴极基底(1)表面，包括：在所述热子(5)与所述阴极基底(1)之间加入焊料，利用焊料将所述热子(5)焊接于阴极基底(1)表面；该表面为与所述阴极基底(1)的发射面相对立的表面；
其中，所述矩形金属条的宽度与阴极基底(1)直径一致，且所述矩形金属条的长度为阴极基底(1)直径的3～10倍；所述热子(5)的材料为钨、钼、钽、钨铼合金或钼铼合金。
2.根据权利要求1所述的阴极热子组件的制备方法，其特征在于，所述焊料为阴极基底(1)和热子(5)都浸润的金属或合金材料。
3.根据权利要求1所述的阴极热子组件的制备方法，其特征在于，所述焊料为铂、钨钴合金。
4.根据权利要求1所述的阴极热子组件的制备方法，其特征在于，所述焊接为电阻焊焊接、激光焊接、或电子束焊接。
5.一种阴极热子组件，其特征在于，所述组件包括：阴极，以及焊接于所述阴极表面的热子(5)；该表面为与所述阴极基底(1)的发射面相对立的表面；
其中，所述阴极包括阴极基底(1)，所述热子(5)的厚度为0.01～0.1mm，所述热子(5)的宽度与阴极基底(1)直径一致，所述热子(5)的长度为阴极基底(1)直径的3～10倍；所述热子(5)由厚度为0.01～0.1mm预设厚度的金属片进行裁剪得到的矩形金属条包括：将厚度为0.05mm的金属片进行裁剪，使所述金属片的宽度为2mm，并使所述金属片的长度为阴极基底(1)直径的3.5倍；所述热子(5)的材料为钨、钼、钽、钨铼合金或钼铼合金；所述热子(5)与所述阴极基底(1)之间通过焊料焊接。
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