Re摻雜對W絲陰極二次電子發射的影響

真空電子技術 漆世鍇 中國科學院電子學研究所

  為了提高純W 絲陰極的二次電子發射系數(δ) ,在W 粉中摻雜不同比例的Re 粉。將混合好的W-Re 粉制備在W 片表面,經高溫燒結后測量其二次電子發射系數。實驗結果顯示Re 摻雜合金陰極能夠提高純鎢絲陰極的δ。不同摻雜Re的W-Re合金陰極對提高二次電子發射系數的能力不同,摻雜5(質量比) % Re 的W-Re 合金陰極的二次電子發射系數最大,其最大二次電子發射系數(δm) 值為1.8,相比于未摻雜的純鎢粉燒結陰極的δm,能夠提高80%。

  純鎢金屬陰極具有耐高溫、耐電子離子轟擊能力強、工藝簡單及價格低廉等優點,在大功率連續波磁控管中得到廣泛應用,但是由于它熱電子發射效率低及二次電子發射小,導致工作溫度過高,所以在大功率連續波狀態下工作壽命較短。隨著工業生產對大功率連續波磁控管輸出功率和壽命要求的不斷提高,迫切需要研究高可靠長壽命大功率連續波磁控管陰極。純金屬陰極的壽命取決于陰極的工作溫度,如果能降低陰極的工作溫度就能延長陰極的壽命。降低陰極工作溫度就得提高陰極的一次熱發射電流密度及二次發射系數。在磁控管正常工作過程中,陽極電流中二次電子發射( SEE) 的電流約占總電流的90%,因此提高陰極的發射電流密度主要就是要提高陰極的SEE。

  大功率連續波磁控管在正常工作狀態下,受到電子離子轟擊劇烈,普通氧化物陰極,鋇鎢陰極的SEE 雖然較高,但是其耐電子、離子轟擊能力差,在大功率連續波磁控管中很快會失效。國內王金淑教授等最先對脈沖磁控管用稀土氧化物陰極的SEE 進行研究,獲得La2 O3-Mo、La2 O3-Y2 O3Mo、La2O3-Y2O3-Gd2O3-Mo 等幾種組合材料的陰極,其最大SEE 系數( δm) 可達到4.0,相比于氧化物陰極、鋇鎢陰極,具有良好的耐電子轟擊能力,價格低廉等優點,這些陰極已在脈沖磁控管中有應用,但是未見在大功率連續波磁控管中應用的報道。

  國外,俄羅斯的ISTOK 是世界上最早從事磁控管用高溫合金陰極研究的單位之一,他們研發的Ir-La,Os-Th,Re-Th 合金陰極能夠提供最大的SEE 系數分別達2.5,2.07,1.95。這些合金陰極已經應用于磁控管振蕩器,其中Ir-La 合金陰極可提供10 ~150 A/cm2可選擇性脈沖電流和長達1000 ~10000h 的穩定壽命。Os-Th,Re-Th 合金陰極可以提供最高達10 A/cm2脈沖電流和超過10000 h 穩定壽命。但是這些合金陰極中Os 是劇毒金屬,Th 具有放射性,而且Ir、Os、Th 金屬價格昂貴,不利于大規模推廣使用。

  合金陰極具有耐高溫、耐電子離子轟擊的良好特性,使得其在大于15 kW 大功率連續波磁控管中具有強大應用潛力。實驗中采用價格低廉,對人體沒有危害,耐高溫金屬Re 和W 作為大功率連續波磁控管用合金陰極的原材料,研究了不同質量百分數Re 摻雜對W 陰極的SEE 特性的影響,這對了解合金陰極的SEE 機理,提高合金陰極SEE 系數具有重要意義。

  1、實驗

  1.1、W-Re 合金陰極的制備

  W-Re 合金陰極的制備:將Re 粉和平均粒度為1 ~2 μm 的W 粉放置在紅外燈下烘烤0.5 h 左右,去除粉末中吸附的水分。稱取適量W 粉放入瑪瑙缽中,再稱取一定質量比例的Re 粉放入瑪瑙缽中,研磨2 h 使得粉末混合均勻。實驗中制備的W-Re混合粉末中Re 具有五種不同的質量百分比分別為3%,5%,7 %,10%,25%。將制備好的W-Re 混合粉末與有機粘合劑(3%硝棉溶液) 均勻混合后噴涂在直徑為Φ13 mm,厚度為2 mm 的鎢片表面,然后放置在紅外燈下烘烤30min 左右,揮發掉硝棉中的有機溶劑,最后將制備好的W-Re 陰極樣品放置在氫爐中燒結,燒結溫度為1450℃,保溫時間為5 min,降溫后取出燒結有W-Re層的W 陰極,完成陰極制備。

  1.2、SEE系數測試

  實驗中所用SEE 系數測試系統為中國科學院電子學研究所自己研制,如圖1(a) 中所示,系統主要包括電子槍,掃描電源,樣品臺,分析器,鎖相放大器,記錄系統等。圖1(b) 為SEE 系數測試系統原理圖,圖中K 為陰極電子源,g 和A 構成一個電子槍,聚焦的電子束打在被測物質做的靶T 上。圖中集電極C 做成圓球形,實驗中如果不要求測初速分布,那么集電極可以做成任何其他形狀。當集電極的電勢比靶高時,它將收集二次電子,這樣就可以測出SEE 系數。圖中Ip為原初電子流,I = (1- δ) Ip,Is是二次電子流,因此SEE 系數δ = 1- IIp或δ = IsIp。

  該SEE系數測試系統采用自動電子發射測試軟件控制SEE,系統正常工作時原初電子電流為5μA,原初電子能量范圍為0 ~2000 eV,測試時真空度優于10 -6 Pa。

二次電子發射系數測試系統及其原理圖

圖1 二次電子發射系數測試系統及其原理圖

  1.3、W-Re 合金陰極表面微觀結構及成分分析

  實驗中利用北京科技大學材料科學與工程學院的ZEISS EVO18 掃描電子顯微鏡(SEM) 對樣品表面微觀結構進行高清晰成像,利用該SEM 自身攜帶的能譜儀(EDS) 對樣品表層數個微米深度內元素及含量進行分析。利用清華大學分析中心的PHI 700俄歇電子能譜儀(AES) 對樣品表面深度為1 ~3 nm的元素及含量進行分析。

  2、結論

  制備了不同質量百分比Re 的W-Re合金陰極,對含量為5%的W-Re 合金陰極的表面微觀結構,表層元素成分及含量,SEE 系數進行了研究和分析,發現Re 摻雜鎢合金陰極能夠提高純鎢陰極的SEE 系數,隨著Re 所占W-Re 合金陰極含量的降低,W-Re合金陰極的SEE 系數在不斷增加,當Re摻雜量為5%時,合金陰極的SEE 系數最大,其δm值為1.8,相比未摻雜的純鎢粉燒結陰極的δm,能夠提高80%。當Re 含量下降至3%,合金陰極的δm不僅沒有升高,相反降低至1.1,這說明僅當W-Re 合金陰極中Re 含量為5% 時,W-Re 合金陰極具有最大δm。