一种亚微米薄膜钪钨阴极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，包括将钨粉压制、烧结，得到阴极基体；将阴极基体浸渍活性物质钡钙铝化合物；将浸渍了活性物质的阴极基体装配到含热子的阴极支持筒中；用直流磁控溅射在阴极基体表面沉积亚微米钪钨薄膜，得到亚微米薄膜钪钨阴极。本发明专利技术制得的阴极的电流密度大，工作温度低，工作时间长，制造方法简单、可操作性强、重复性好。

【技术实现步骤摘要】
一种亚微米薄膜钪钨阴极及其制备方法
本专利技术涉及电真空元器件领域。更具体地，涉及一种亚微米薄膜钪钨阴极及其制备方法。
技术介绍
阴极电子发射体经过近一个世纪的发展，在许多科学与技术的前沿领域占据着不可替代的地位。在军事、空间技术，电子加速器及自由电子激光等
中，对低温、大电流密度、高均匀发射和长寿命的电子发射体的需求始终十分迫切。阴极发射性能、工艺稳定性和可靠性显然也对成本昂贵的电子器件的研制与生产十分重要。事实上，阴极发射体的改进还会对真空电子器件发展及性能提升起到了推动作用。真空电子器件包括微波真空电子器件、相对论真空电子器件、真空电子显示器件、真空电子照明器件和采用电子源的离子器件等。以钨基体、碱土金属钡为活性物质的扩散型阴极在当前各类真空电子器件中位居首选，应用广泛。七十年代末期，稀土元素钪Sc被引入这种电子发射体并展示了对扩散阴极发射性能的明显改进，从而引起了广泛得关注。在此后的二十多年中，世界各国相继发展了各种变体的含钪扩散阴极，使逸出功最终降低至1.5-1.6电子伏特；在获得同样电流密度时，比M型扩散阴极的工作温度下降200℃左右，大大地提高了电子发射体的性能。含钪扩散阴极的类型大致有以下几类：1)将Sc2O3添加在扩散阴极铝酸钡盐中的浸渍型钪酸盐阴极。1977年由Philips公司提出，发射性能为：工作温度1000℃时，发射电流密度5A/cm2，寿命约3000小时(US4007393)。2)将Sc2O3添加在钨基体中的混合基含钪阴极。这类阴极中通常将Sc2O3与钨粉机械混合，经压制、烧结制成含钪多孔钨基底，随后浸渍铝酸钡构成扩散型含钪阴极。这种阴极形式是由日本Hitachi于1984年首先提出，该阴极在工作温度850℃时，脉冲发射电流密度10A/cm2(S.Yamamoto,S.Taguchi,T.Aida,Appl.Surf.Sci.17(1984)504-516)。3)混合基“顶层”含钪阴极。由Philips公司于1986年公布(J.Hasker,J.VanEsdonkandJ.E.Crombeen.Appl.SurfaceSci.26(1986)173.)。这种阴极是将0.1mm厚的含钪多孔钨体置于普通多孔钨体之上，构成含钪“顶层”，再浸渍铝酸盐。它具有对发射有利的含钪表面，同时保留了能充分供应和储存活性钡的普通多孔钨基底，从而改进阴极的性能。但是由于其工艺复杂，不适用于工艺生产。于是，Philips公司于1990年重新转入混合基阴极研究(U.vanSlooten,PeterA.DuineAppl.Surf.Sci.111(1997)24-29)，得到的阴极的脉冲发射能力在工作温度为1000℃达到了100A/cm2。4)薄膜型“顶层”含钪阴极。它是藉助在普通浸渍型扩散阴极上沉积一层含钪薄膜的方法实现含钪“顶层”的添加。沉积的方法可以是射频溅射(YamamotoS,TaguchiSandAidaTetal.Appl.SurfaceSci.17(1986)517)或激光蒸发(CN1128403A)，沉积的薄膜可以是W+Sc2O3、W+Sc2W3O12(S.Yamamoto,I.Watanabe,S.Taguchietal,Jpn.J.Appl.Phys.28(1989)490-494.)或W/Sc2O3+Re(G.Gartner,P.Geittner,H.Lydton,A.Ritz,Appl.Surf.Sci.111(1997)11-17)。薄膜型“顶层”含钪阴极能引入具有一定厚度的均匀沉积的含钪薄膜。对钪系阴极的研究表明，阴极表面的Sc若以元素状态存在，对发射是没有贡献的，只有当Sc为氧化态时，才能够在随后的激活过程中使阴极的逸出功降低。所以，薄膜型钪系阴极的工艺关键必须满足以下两点：1)薄膜的覆盖不能改变原浸渍阴极表面的导电特性；2)薄膜中的Sc必须是氧化态存在的[。现有的薄膜型“顶层”含钪阴极引入具有一定厚度的均匀沉积的含钪薄膜，但是射频溅射会导致靶材中氧化钪的分解，为了使得薄膜中的Sc是氧化态，必须对系统充氧气并严格的控制气体分压，这使得对溅射成膜的条件的控制变得相当困难；而激光蒸发法虽然具有无需对系统引入活性气体即可使Sc在膜内保持完全氧化态，但其制作工艺复杂，可控性差。此外，JP特开平6-260084和CN102522281公开了采用直流溅射来制得薄膜型钪系阴极。以上这些含钪阴极均存在：1)钪及其氧化物的扩散性能不良，使补充困难。当高温蒸发或承受离子轰击而损失时，难以得到恢复，直接影响阴极的发射与寿命；2)添加的钪或其氧化物分布不均匀，从而造成发射不均匀；3)工艺复杂，且重复性差。因此，需要一种新的制备含钪阴极的方法，避免前面提及的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于提供一种亚微米薄膜钪钨阴极。本专利技术的另一个目的在于提供上述亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，包括以下步骤：1)将钨粉压制、烧结，得到阴极基体；2)将阴极基体浸渍活性物质钡钙铝化合物；3)将浸渍了活性物质的阴极基体装配到含热子的阴极支持筒中；4)用直流磁控溅射在阴极基体表面沉积亚微米钪钨薄膜；直流磁控溅射时，靶材的原料为溶胶凝胶法制得的亚微米尺度的氧化钪掺杂钨粉；采用阶梯加电压方式，先在溅射电压350-450V保持4-6分钟；再在溅射电压750-850V保持4-6分钟；最后在溅射电压1150-1250V保持40-60分钟，得到亚微米薄膜钪钨阴极。步骤1)中，钨粉为高纯微米级钨粉；所述压制是采用等静压技术，压制温度为室温、压制压力为2-2.5吨；所述烧结是在氢气气氛中烧结，烧结温度为1900-2000℃，烧结时间为40-60分钟。烧结后得到多孔钨基体，将多孔钨基体经过浸铜、机械加工、去铜，得到阴极基体；所述浸铜是把铜在温度1400-1500℃条件下熔化，之后利用毛细现象将铜浸渍到多孔钨基体中；所述机械加工是利用车制、电火花等加工方法把浸铜钨基体加工成所需要的形状，具体步骤和条件可参考现有文献；所述去铜是利用化学方法或者高温蒸发法去除加工好的浸铜钨基体中的铜，具体步骤和条件可参考现有文献。步骤2)中，钡钙铝化合物可以是钡钙铝酸盐，也可以是其它稳定的钡钙铝化合物。当钡钙铝化合物是钡钙铝酸盐时，BaO：CaO：Al2O3的摩尔比为5：3：2，4：1：1或6：1：2。所述浸渍温度为1500℃-1700℃，浸渍时间为10-120秒。浸渍后，用车加工方法去除阴极基体表面的残余浸渍物。步骤3)中，热子为间热式热子。阴极基体和阴极支持筒是通过钎焊材料钎焊在一起。优选地，在阴极基体与热子相对的一面涂覆有抑制蒸发材料。抑制蒸发材料与阴极基体和阴极支持筒之间的钎焊材料相同，为钼钌焊料。阴极基体和阴极支持筒之间的钎焊、抑制蒸发材料的涂覆是同时在氢炉内完成。抑制蒸发材料用于密封阴极基体背面的孔隙，防止钡钙铝化合物向热子蒸发。优选地，在阴极基体与热子之间的空隙填充高纯氧化铝。高纯氧化铝填充物经烧结后通过热传导方式直接将热量传递给阴极基体，提高加热效率和温度均匀性。步骤4)中，直流磁控溅射所用的靶材原料不采用一般钨粉与氧化钪粉的机械混合物，而是采用溶胶凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将钨粉压制、烧结，得到阴极基体；2)将阴极基体浸渍活性物质钡钙铝化合物；3)将浸渍了活性物质的阴极基体装配到含热子的阴极支持筒中；4)用直流磁控溅射在阴极基体表面沉积亚微米钪钨薄膜；直流磁控溅射时，靶材的原料为溶胶凝胶法制得的亚微米尺度的氧化钪掺杂钨粉；采用阶梯加电压方式，先在溅射电压350‑450V保持4‑6分钟；再在溅射电压750‑850V保持4‑6分钟；最后在溅射电压1150‑1250V保持40‑60分钟，得到亚微米薄膜钪钨阴极。

【技术特征摘要】
1.一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将钨粉压制、烧结，得到多孔钨基体，将多孔钨基体经过浸铜、机械加工、去铜，得到阴极基体；2）将阴极基体浸渍活性物质钡钙铝化合物；3）将浸渍了活性物质的阴极基体装配到含热子的阴极支持筒中；4）用直流磁控溅射在阴极基体表面沉积亚微米钪钨薄膜；直流磁控溅射时，靶材的原料为溶胶凝胶法制得的亚微米尺度的氧化钪掺杂钨粉；采用阶梯加电压方式，先在溅射电压350-450V保持4-6分钟；再在溅射电压750-850V保持4-6分钟；最后在溅射电压1150-1250V保持40-60分钟，得到亚微米薄膜钪钨阴极；步骤1）中，所述压制是采用等静压技术，压制温度为室温、压制压力为2-2.5吨；所述烧结是在氢气气氛中烧结，烧结温度为1900-2000℃，烧结时间为40-60分钟。2.根据权利要求1所述的一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述钡钙铝化合物是钡钙铝酸盐，BaO：CaO：Al2O3的摩尔比为5：3：2，4：1：1或6：1：2；所述浸渍温度为1500℃-1700℃，浸渍时间为10-120秒。3.根据权利要求1所述的一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，步骤3）中，在阴极基体与热子相对的一面涂覆抑制蒸发材料。4.根据权利要求3所述的一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，在阴极基体与热子之间的空隙填充高纯氧化铝。5.根据权利要求1所述的一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，步骤4）中，所述靶材的制备是在室温下将亚微米尺度的氧化钪掺杂钨粉在2-2.5吨压制压力下先模压成型，之后在850-950℃烧结得到。6.根据权利要求1所述的一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，步骤4）中，直流磁控溅射时，氛围气为氮气，本底真空度为5×10-4Pa；靶材的直径50mm；靶材与阴极基体表面的距离为40-50mm；溅射功率为100-120W。7.根据权利要求1所述的一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，步骤4）中，氧化钪在钨粉中的重量百分比为3-10％。8.根据权利要求1所述的一种亚微米薄膜钪钨阴极的制备方法，其特征在于，步骤4）中，采用阶梯加电压方式，先在溅射电压400V保持5分钟；再在溅射电压800V保持5分钟；最后在溅...

【专利技术属性】
技术研发人员：王萍，李季，王辉，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十二研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11