浸渍式钨酸盐阴极的研究

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目前真空微波功率电子器件已经发展至太赫兹波段,这将对阴极提出更高的要求。传统M型阴极的潜力已经几乎被挖掘殆尽。钪系阴极虽然具备很高的发射能力,但是发射均匀性差、抗中毒性能差以及寿命短等问题仍尤为突出。为探索具备低温度、大电流、长寿命和高可靠性的热阴极,本文对浸渍式钨酸盐阴极进行了较为深入细致的研究。  本研究主要内容包括:⑴开展了三种不同配方钨酸盐的合成研究。研究结果分别表明在空气中1400℃合成了Ba3WO6含量达到77%且结晶度最高的钨酸钡锶盐;在1400℃时合成了Ba3Sc2WO9含量达到7%的含钪钨酸盐;在1400℃合成了主相Ba3WO6和Ba2CaWO6含量相当并含有少量Ba2SrWO6的含钙三元钨酸盐。⑵探索稳定制备浸渍式钨酸盐阴极的制备工艺,解决了该阴极在过去工艺重复性差的问题,并采用以上合成的不同配方钨酸盐浸渍制备阴极。测试结果表明浸渍钨酸钡锶阴极在1050℃br下未进行温度补偿时的直流和脉冲发射电流密度分别可达7.54A/cm2和20.38A/cm2,比该阴极在过去文献中的报导的发射能力提高了25%,且优于目前普通铝酸盐阴极。含Sc和含Ca钨酸盐浸渍阴极的发射能力与普通铝酸盐阴极发射能力相当。⑶研制出一种采用纳米WO3合成Ba5Sr(WO6)2并添加18.75%重量比ZrH2的浸渍式钨酸钡锶阴极。在未进行温度补偿情况下测得该阴极在1050℃br的直流和脉冲发射电流密度分别可达9.78A/cm2和60.7A/cm2,是未覆膜铝酸盐阴极的发射电流密度的2倍以上;Miram曲线表明该阴极在支取电流2A/cm2、4A/cm2、8A/cm2和16A/cm2空间限制电荷区(FSCL)电流时,当发射电流下降至40~80%时的温度间隔分别为38~39℃、36~38℃和32~33℃,该阴极的PWFD曲线表明阴极有效功分布于1.76~2.1 eV之间,表明了该阴极具备良好的欠热特性和发射均匀性。⑷采用石英晶振法测试了阴极蒸发率,结果表明浸渍式钨酸盐阴极的蒸发率约为未覆膜6-1-2铝酸盐阴极的一半;该阴极的抗中毒性能实验表明该阴极在2次暴露大气(1小时)之后,能够在支取6A/cm2电流时发射能力相比暴露前几乎不下降;寿命测试结果表明该阴极在1050℃支取2A/cm2电流工作1500小时以上发射水平仍保持在初始值的95%。⑸采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)及X射线光电子谱(XPS)分析对钨酸盐阴极的工作机理进行了探讨,提出了一种钨酸盐阴极特有的“贮存-释放”发射机理,较好地解释了该阴极具有大发射电流密度和低蒸发率的原因。
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