覆Os膜M型陰極高發射性能隨真空度變化的研究
在覆Os 膜M 型陰極工作于75 A/ cm2 高電流密度的情況下, 逐級降低真空系統的真空度, 測出了陰極電流密度隨真空度變化的關系曲線。分析表明, 當系統真空度為1.0 × 10- 5 Pa 時, 陰極發射開始出現明顯下降, 下降幅度達1.96%; 當真空度為2.07× 10- 4 Pa 時, 陰極電流密度降低10%, 陰極壽命接近終了。進一步研究認為, 對于微波管而言, 通過滲漏進入微波管內的大氣特別是其中的氧分子, 將陰極表面的Ba+ (a) 轉變為Ba2+ , 使得陰極表面的發射單元逐步喪失電子發射能力; 與此同時, 真空度降低帶來的離子轟擊使得離子斑區域的覆膜層消失, 導致該區域功函數升高。兩種因素的共同作用, 使得微波管中陰極的發射性能逐步下降。
小型多注速調管是飛行器制導使用的一種高性能微波管。該管正常工作時, 陰極峰值電流高達1458~ 1550 mA, 對應電流密度為73~ 78 A/ cm2。使用中發現, 少量管子在存放一段時間后, 陰極發射性能出現明顯下降, 且很難恢復。判斷認為, 大部分失效管發生了大氣微滲漏現象。
用戶及陰極研究人員迫切想知道, 這種高電流密度陰極在什么真空度下開始明顯失效, 又在何種真空度下壽命終了, 其失效的機理如何? 但是, 真空技術網(http://smsksx.com/)檢索發現, 國際上關于高電流密度陰極發生大氣滲漏中毒的相關報道極少。
鑒于上述情況, 本文開展了相關模擬研究。模擬研究包括, 解剖小型多注速調管以獲得多注陰極的尺寸及表面成分, 制備同等發射面積的單注模擬陰極, 對模擬陰極進行不同真空度下的發射測試, 獲得發射-真空度關系曲線, 開展陰極中毒機理分析。
實驗主要包括以下幾部分:解剖小型多注速調管取出多注陰極。手工拆解多注速調管, 拆解中, 禁止陰極接觸含水和油污的介質以及任何金屬顆粒, 拆解出兩個多注陰極熱子組件。
拆出多注陰極熱子組件后, 一個用于陰極分析,以確定陰極尺寸、陰極內部結構及表面覆膜層成分;另一個裝入真空系統測量陰極的工作溫度。在分析基礎上, 制備模擬陰極。所制備的模擬陰極在內部結構和表面成分上與多注陰極近似, 在發射面積上, 與多注陰極總的發射面積相等, 且模擬陰極的發射性能達到與多注陰極相當的水平。接下來, 利用高真空水冷二極管陰極動態測試系統 , 對模擬陰極進行發射性能隨真空度變化的研究。為精確測量和控制大氣進入系統后帶來的真空度變化, 配置了高精度真空計及小流量高精度流量計。測試電源選用0.3% 的工作比( 脈寬30 us, 重復頻率1000Hz) 。
發射測試步驟為: 1、在高真空下, 對陰極進行激活并對陽極除氣; 2、陰極停止加熱, 5 min 后設置并調節系統真空度; 3、真空度穩定后, 2 min 內將陰極加熱至工作溫度; 4、調整陰極-陽極距離及陰-陽極電壓, 使起始電流達到1468~ 1550 mA; 5、測完該點后, 從2開始重復后面的步驟, 直至陰極發射降10% 以上。
試驗采用的主要設備及儀器包括, VEGA TESCAN掃描電鏡(SEM) 、陰極專用磁控濺射覆膜臺、脈沖發射測試電源、Televac 公司的CC- 10 真空計和Alicat 公司的1ml/ min(標準狀態) 的高精度流量計等。
為了解小型多注速調管陰極在高發射狀態下的大氣中毒過程及中毒機理, 制備了直徑直徑1.6 mm 的單注覆膜陰極, 以模擬18 注多注陰極( 每注陰極直徑為直徑0.37 mm) 。測試表明, 制備的單注陰極的發射性能完全滿足多注陰極高發射的要求。采用利用水冷二極管發射裝置, 完成了模擬陰極電流隨真空度變化的研究工作。測試表明, 當系統真空度為1.0 × 10-5 Pa 時, 陰極發射開始出現明顯下降, 下降幅度達1.96% ; 當系統真空度為2.07× 10-4 Pa 時, 陰極電流密度降低10%, 陰極壽命接近終了。研究認為, 當真空度微幅下降, 且氣壓低于8.3× 10-6 Pa 時, 陰極表面的Os 膜因具有易氧化和快速蒸發的特性, 對少量的外來氧表出了較強的自潔凈能力。在這一階段, 真空度雖然降低, 但陰極在表面仍保留足夠數量的、高發射所需的O-(a) 和Ba+ (a) , 使得陰極發射維持不變。陰極這一階段的良好表現, 恰好反映出了覆Os 膜陰極具有良好的抗中毒能力。
當真空度大幅下降時, 陰極表面維持發射所需的平衡逐步被破壞。此時外界侵入微波管內的大氣對陰極表面帶來不利影響。作用的結果, 一是使得一部分外來氧吸附在陰極表面, 對陰極表面原有的O- (a) 的含量形成稀釋; 二是奪走Ba+ (a) 的自由電子, 使其變為Ba2+ (a) 。兩種元素綜合作用陰極電子發射能力顯著下降。在真實微波管中, 因真空度下降帶來的離子轟擊, 會在陰極表面形成離子斑。離子斑區域因覆膜層消失, 功函數大幅升高, 其電子發射能力急劇降低。
真空度降低引起的氧化及離子轟擊作用, 使得微波管中陰極的發射性能逐步下降。
