真空度對陰極材料微結構影響的電子顯微分析
針對陰極失效影響因素中的真空度問題，利用掃描電子顯微鏡以及能譜儀作為研究手段，分析對比了未老煉以及在不同真空條件下老煉的陰極的微觀結構以及成分差異，結果表明，真空度降低，陰極中發射物質將與空氣中的水汽以及氧反應，導致微觀結構發生變化，這對于行波管的封裝可靠性提出了較高要求。
行波管廣泛地應用于雷達、導航和通信等國防工程領域。陰極是行波管的心臟，其性能的好壞對行波管的穩定可靠性工作有著重要的影響，而在陰極的失效影響因素中，真空度是一個重要的影響因素。目前的文獻報道主要是從宏觀角度來分析行波管的可靠性，建立失效模型或者是從陰極材料本身來研究其發射性能，如真空技術網前文就對行波管的可靠性進行了探討，對真空殘氣對陰極的發射性能進行了研究。本工作從微觀角度對真空度的影響的機理進行探討，可以做為從宏觀上提高陰極性能以及行波管可靠性的指導。
1、實驗
1.1、試劑及儀器
試劑：鎢粉，添加Sc2O3 質量比為5％的鋁酸鹽
分析儀器：日本電子JOEL- 6490LV 掃描電子顯微鏡；美國EDAX GENESIS2000XMS 型X 射線能譜儀（EDS）。
1.2、樣品制備
首先把制備好的鎢粉壓制燒結成鎢海綿體（即鎢胚），再進行機械加工，使鎢海綿體符合陰極的形狀尺寸要求。然后篩選孔隙度在20%~25%的海綿體。高溫下，在氫氣爐中將添加Sc2O3 質量比為5％的鋁酸鹽（摩爾比為BaO：CaO：Al2O3 =4∶1∶1） 浸漬入海綿體的孔隙內即成。浸漬好的陰極需要在優于5×10- 5 Pa 的高真空下進行熱激活。將陰極溫度升高到1200℃, 老煉10 min。將新制成未老煉的陰極編號為A，經過老煉后裝管測試。將裝入氣壓為10- 4~10- 5 Pa 下測試的陰極編號為B，將裝入氣壓為10- 2~10- 3 Pa下測試的陰極編號為C。
2、微觀分析
將上述工藝過程制備的鋇鎢陰極進行篩選，將未老煉的陰極A 進行SEM 觀察，如圖1 所示。老煉后的陰極經過裝管，在不同氣壓條件下進行陰極發射性能測試。測試結果表明B 樣品的發射性能優于C，且C 的發射電流逐漸降低。測試完成后，開管對陰極表面的微觀結構進行SEM 觀察。并對測試過的陰極B 和陰極C 不同區域進行EDS 分析，能譜儀工作電壓為20 kV，工作距離保持在10 mm。SEM 及EDS的結果如圖2、3 以及圖4 所示。分析各不同區域的成分如表1 所示。
圖1 樣品A 的表面SEM 圖 圖2 樣品B 和C 的表面SEM 圖
圖3 樣品B 的能譜圖 圖4 樣品C 的EDS 圖譜
表1 陰極不同區域EDS 成分分析結果
從圖1 中可以看出，老煉前樣品A 的表面有明顯的車削痕跡，表面平整、孔洞分布均勻，陰極表面無發射物質露出；老煉后裝管測試的兩個陰極表面存在很大的微觀差異。從圖B 的SEM 圖可以看出，裝入高真空中的陰極經過測試后，陰極的表面依然平整；鎢顆粒表面有很多細顆粒，對其成分分析的結果表明主要是鎢及其氧化物；海綿體的孔隙處有稍大的顆粒物存在，成分分析結果表明主要為含鈧的鋁酸鹽發射物質。樣品C的SEM 結果表明，裝入低真空中的陰極，樣品表面極不平整，有大量近似圓形顆粒狀物質，且聚集在鎢基海綿體的孔洞邊緣，鎢基體表面也存在大量顆粒物。對陰極表面不同區域進一步的能譜分析表明，孔洞邊緣處的圓形顆粒狀物質成分中引入一定量的碳，且與樣品B 相比Sc 的含量顯著降低；鎢基體顆粒表面除了不含有Sc 外，發射物質的其他成分都存在，表明Sc 的蒸發比較嚴重，并有一定量發射物質從海綿體內部擴散到鎢顆粒表面。
3、結果與討論
通過對比分析未老煉以及在不同真空條件下老煉的陰極的微觀結構以及成分差異，并結合它們發射性能，表明真空對陰極的性能有重要的影響。之所以會產生如此的差異，具體分析如下：
將陰極制備好以后，需要對其進行激活，在陰極激活以后，陰極就具有發射電子的本領。在陰極激活過程中，陰極內部發生的物理化學過程目前還尚未完全搞清楚。目前認為，在高溫下，一部分鋁酸鹽熱分解：
Ba3Al2O6→2BaO+BaAl2O4（熱分解）
鎢海綿體不僅作為儲存發射物質的倉庫，而且還是鋇鎢陰極的激活劑。鎢與氧化鋇或者鋁酸鹽都可產生反應：
6BaO+W→Ba3WO6+3Ba
2Ba3Al2O6+W→Ba3WO4+ 2BaAl2O4 +3Ba
W+ 3Ba3Al2O6 +6CaO→3Ba3CaAl2O6+Ca3WO6+3Ba
以上反應都有自由鋇產生。實踐證明，自由鋇是激活陰極必不可少的條件，只有足夠的自由鋇產生并擴散到陰極表層去，陰極才具有良好的發射性能。而當行波管密封性不好，真空度不足，有水汽進入時，工作于1000 多度高溫條件下的鎢海綿體內的氧化物就會與水汽發生如下的化學反應：
Al2O3+H2OAl(OH)3
CaO + H2OCa(OH)2
BaO + H2OBa(OH)2
陰極發射物質與水生成氫氧化物體積膨脹，從而溢出鎢海綿體的孔洞，聚集在孔洞的邊緣，在高溫下，氫氧化物又會在孔洞口處發生分解，生成氧化物，聚集在海綿體孔洞的邊緣。在成分分析結果中C 元素的引入，說明空氣中的CO2 參與反應，生成碳酸鹽聚集在孔洞周圍。以上的化學反應均會過量的消耗海綿體內的發射物質，縮短陰極的使用壽命。而空氣中的氧對陰極也具有很強的去激活作用，易引起氧中毒，對陰極的電流發射及其不利。
以上的分析表明，行波管內的真空度下降，發射物質與空氣中的成分發生化學反應，直接導致陰極表面的顯微結構發生變化，影響陰極的發射性能和使用壽命。陰極表面的微觀結構會隨著工作氣氛的改變而發生變化，這對行波管封裝可靠性提出了較高的要求。
