论文摘要
随着微波技术的发展,大功率微波真空电子器件所要求的大电流密度、高稳定性的钡钨阴极被广泛应用,并越来越获得研究学者的重视。为了提高其性能,国内外许多研究学者一般从理论、配方、工艺和材料等方面进行实验研究。而在实际生产过程中,影响阴极发射性能的因素众多,如阴极的微观结构、成分、污染、覆膜等,有关此方面的系统研究相对较少。某国营厂生产的钡钨阴极材料是采用浸渍工艺将铝酸盐或者添加Sc2O3的发射物质浸渍入钨海绵体的孔中,而覆膜阴极则在以上工艺的基础上再进行离子溅射一层金属薄膜或合金膜,以提高阴极发射性能。在使用过程中,出现性能下降或者发射电流不稳定等现象。本课题根据出现的这些状况,围绕阴极微观结构对其性能的影响为中心,采用各种现代微观分析手段,从微结构的角度对影响钡钨阴极性能的工作条件、焊接质量、覆膜质量及厚度及均匀性等方面进行了如下系列分析研究:1.阴极作为电真空器件的核心部分,要求发射电流密度高,性能稳定性好,使用寿命长,保持其苛刻的工作条件至关重要。针对钡钨阴极在工作过程中出现发射电流下降的现象,采用扫描电子显微镜、电子探针X射线等作为显微分析手段,对阴极在使用过程中出现的龟裂、阴极表面污染、海绵体孔洞口的堆积物等微结构变化及形成原因进行分析研究,结果表明阴极工作温度、环境气氛和表面清洁是形成以上典型微观结构的主要原因,建立了阴极失效分析的有效方法。对阴极套筒焊接微缺陷进行研究,分析了焊接区内的气隙对焊接质量和套筒热传导性的影响,提出了配合尺寸对焊接可靠性的重要性。2.介绍了覆膜阴极的工艺过程和成膜机理,研究了钡钨阴极表面不同薄膜的微观结构以及成分表征。对Os、Ir等单质膜和Os-Ir-Al、Os-Re等合金膜的显微结构及其在1200℃老炼后的微结构变化进行研究,结果表明Os-Ir-Al膜阴极表面在老炼前后的微观形貌变化最小,但晶粒尺寸较大,单层Os膜和Os-Re合金膜次之,溅射Ir膜的阴极表面薄膜老炼前后微结构变化最大。对单质膜和合金膜进行微区成分分析表征,通过选择入射电压和同一元素不同线系特征谱线,可以避免衬底元素产生的X射线对表面薄膜的二次激发,从而获得较准确的表面成分分析结果。3.研究了电子探针无损测量钡钨阴极表面覆膜厚度的分析测试技术。根据入射到阴极表面的电子束作用深度与入射电压的关系计算、模拟阴极表面覆膜厚度。通过加速电压与衬底WL和薄膜IrL特征X射线强度之间的关系,外推W衬底的X射线强度为“0”或者薄膜X射线强度为“1”时获得入射电压Ed。运用蒙特卡罗模拟,固定入射电压Ed,通过改变假定的薄膜厚度,使W衬底的X射线强度为“0”或者薄膜X射线强度为“1”,可实现薄膜厚度的无损测量,且操作方便。