一种高温热阴极的制备方法技术

一种高温热阴极的制备方法涉及真空电子器件制造技术领域。将偏钨酸铵、高铼酸铵、硝酸镧和硝酸钙分别溶于水后混合为澄清溶液，通过水浴加热使溶质析出，放入烘箱干燥后在氢气气氛下使用两段还原得到阴极前驱体粉，放入烧结炉中进行烧结。阴极在的工作过程中，稀土氧化物可以迅速扩散到阴极表面，从而补充由于高温导致的表面成分蒸发，保证阴极工作过程中稳定的释放电子。贵金属铼化学稳定性优异，表面吸附气体少，耐离子轰击性好，高温机械性能好，蒸发率低，电阻率高，添加后可与阴极基体生成钨铼合金，或者铼包覆钨从而提高阴极整体发射性能。碱土金属加入后可以减少阴极表面活性物质的蒸发，同时降低了表面的烧蚀，从而提高阴极的使用寿命。的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种高温热阴极的制备方法


[0001]本专利技术涉及真空电子器件制造
，是一种新型高温热阴极的制备方法。

技术介绍

[0002]电真空电子器件在民用、军事等方面有着非常广泛的应用，例如微波通信、医疗诊断、雷达、电子对抗、航空航天等诸多领域。阴极作为电真空器件的电子源被誉为电真空器件的核心，其在电真空器件应用中发挥着重要的作用。近些年来，随着电真空器件的不断发展，器件对阴极的电子发射能力的要求越来越高，例如在大功率太赫兹辐射源中，电子束电流密度的需求通常高达数百A/cm2。
[0003]纯金属阴极作为最早专利技术的阴极，有着良好的热稳定性，通常是由难熔金属(钨、钼、铼、钽、铌)经过加工制备而成，其中金属钨阴极最具有代表性，也是应用最为广泛的纯金属阴极。纯钨阴极的工作温度通常高于2500K，而发射电流密度约为1A/cm2，其发射效率较低，约为1mA/W。
[0004]为了提高阴极的发射性能，人们在钨中加入不同成分的强化相，如1.5～2％的ThO2或La2O3。经过适当的热处理后，掺杂钨阴极在相同温度下的热电子发射电流要比纯钨阴极大得多。如在纯钨中掺入ThO2的质量分数达到2％时，ThO2‑
W阴极的逸出功降至2.63eV，工作温度1950～2000K，电流密度2A/cm2，发射效率为10mA/W，是纯钨阴极的10倍。但钍钨阴极在加工、使用中和废弃后均具有放射性污染。目前钍钨阴极已经逐渐被其他阴极所替代。
[0005]到目前为止，即使添加稀土氧化物替代氧化钍，获得的阴极也只能在低于1600℃的环境下使用。已经得到应用的Ta、W、Ta
‑
W、多孔Ta
‑
W阴极在1900℃的工作温度下，阴极端面因承受最高的温度而烧蚀最为严重，普遍发生变形而端面不平，局部发生了熔化溢出现象，从而直接影响阴极使用寿命。金属铼是化学稳定性优异的金属，熔点高达3180℃，表面吸附气体少，耐离子轰击性好，高温机械性能好，蒸发率低，电阻率高，缺点是价格昂贵，很少单独使用，一般是在钨中加入少量铼制成钨铼合金，或涂覆铼层来改善阴极的电子发射性能。特别是，当铼含量提高至75％时出现的Re3W，物相单一，且发射性能最好。
[0006]综上所述，在阴极中同样将钨与贵金属结合作为基体主要成分，采用不同制备方法添加稀土氧化镧，细化组织结构并提高阴极发射。将铼和稀土氧化物添加在钨基体中对阴极发射性能的提升有着积极作用，本专利技术正是通过控制原料组成及其用量关系才能通过高温激活可以获得具有杰出的电子发射能力阴极对于整个真空电子器件的性能有着非常重要的意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种新型高温热阴极的制备方法，使用液液混合的方法将原料各自溶于去离子水中，通过水浴加热使溶质析出，放入烘箱干燥后在氢气气氛下使用两段还原得到阴极前驱体粉，最后放入烧结炉中进行烧结。
[0008]具体制备过程包括如下步骤：
[0009]步骤一：将偏钨酸铵、高铼酸铵、硝酸镧和硝酸钙分别溶于水后混合为澄清溶液；
[0010]步骤二：将步骤一制备的溶液中进行水浴搅拌加热，得到沉淀后放入烘箱进行干燥；
[0011]步骤三：将步骤二制备的沉淀进行研磨、过筛，得到粉体；
[0012]步骤四：将步骤三粉末在氢气环境下进行两段氢气还原，得到阴极前驱体粉体；
[0013]步骤五：将步骤四阴极前驱体粉体进行压制成型，在高温钨网氢气炉纯氢气氛中进行烧结，制备得到阴极；
[0014]步骤六：将步骤五制备得到阴极，通过机械加工等物理处理方法，加工成所需尺寸，即可得到新型阴极。
[0015]步骤一中高铼酸铵(H4NO4Re)30～75wt％；硝酸镧(La(NO3)3·
6H2O)+硝酸钙(Ca(NO3)2)10～20％wt％；其余为偏钨酸铵。进一步前铼钨元素的质量比例为1
‑
4：1。
[0016]本专利技术实际为一种三元混合基扩散阴极的制备方法，为避免铼元素的挥发，使用两段氢气还原工艺的得到阴极前驱体粉。
[0017]制备得到的阴极前驱体粉体粒径分布均匀细小，无杂质、物相均匀分散，在前驱体粉体中金属铼元素、稀土氧化物和碱土金属均匀分布。
[0018]制备得到的前驱体粉末在干燥真空环境下保存，通过模压工艺将粉体压制成块后放入高温氢气烧结炉中进行烧结，最终得到阴极产品。
[0019]本专利技术所得高温热阴极的工作温度不低于1600℃。
[0020]采用本专利技术的一种新型高温热阴极的制备方法所取得的阴极实际效果为：
[0021]1、本专利技术通过控制原料组成及其用量关系进而调整最终产品的成分，才能提高混合基扩散阴极的发射电流密度。测试温度为1600℃
b
(亮度温度)，样品可有效支取的电流密度达到2.46A/cm2，且功函数为2.842eV，这与纯金属钨阴极相比有了较大幅度的提高。
[0022]2、本方法烧结后得到的阴极在工作状态中，稀土氧化物作为发射活性物质可以迅速扩散到阴极表面，从而补充由于高温导致的表面成分蒸发，保证阴极工作过程中稳定的释放电子，多元物相之间相互协同，共同强化阴极，从而提升阴极发射性能和使用寿命。
[0023]3、该方法通过在传统的钨阴极中引入纳米级稀土氧化物、贵金属以及碱土金属，使阴极在的工作过程中，稀土氧化物可以迅速扩散到阴极表面，从而补充由于高温导致的表面成分蒸发，保证阴极工作过程中稳定的释放电子。贵金属铼化学稳定性优异，表面吸附气体少，耐离子轰击性好，高温机械性能好，蒸发率低，电阻率高，添加后可与阴极基体生成钨铼合金，或者铼包覆钨从而提高阴极整体发射性能。此外，碱土金属具有良好的导热导电性能，加入后可以减少阴极表面活性物质的蒸发，同时降低了表面的烧蚀，从而提高阴极的使用寿命。通过多组分之间的相互协同作用，有利于制备出综合性能优良的阴极。
附图说明
[0024]图1阴极制备工艺路线图；
[0025]图2实施例1前驱体粉体激光粒径分布图；
[0026]图3阴极前驱体粉体及阴极的SEM；
[0027]表1新型热阴极直流发射电流密度和逸出功。
具体实施方式
[0028]本专利技术一种新型高温热阴极的制备方法的具体实施工艺如下，下面详细介绍本专利技术技术方案，但本专利技术并不限于以下实施例。
[0029]水浴加热偏钨酸铵、高铼酸铵、硝酸镧和硝酸钙水溶液得到沉淀，烘干后进行研磨和过筛得到原料粉体，在管式炉中经过600℃和900℃两段氢气还原，得到前驱体粉体，粉体粒径大小如图2所示。
[0030]实施例1:
[0031]分别称取2.8g偏钨酸铵、10.8g高铼酸铵、1.6g硝酸镧和1.2g硝酸钙溶于水中，利用水浴加热搅拌至沉淀析出，过滤洗涤沉淀后放入80℃烘箱中干燥24h，烘干后研磨并过80目筛，得到原料混合物粉体，将粉体放入管式炉进行两段氢气还原，还原工艺为：第一段600℃保温2h，第二段温度为900℃保温2h；得到前驱体粉，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温热阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将偏钨酸铵、高铼酸铵、硝酸镧和硝酸钙分别溶于水后混合为澄清溶液；步骤二：将步骤一制备的溶液中进行水浴搅拌加热，得到沉淀后放入烘箱进行干燥；步骤三：将步骤二制备的沉淀进行研磨、过筛，得到粉体；步骤四：将步骤三粉末在氢气环境下进行两段氢气还原，得到阴极前驱体粉体；步骤五：将步骤四阴极前驱体粉体进行压制成型，在高温钨网氢气炉纯氢气氛中进行烧结，制备得到阴极；步骤六：将步骤五制备得到阴极，通过机械加工等物理处理方法，加...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金淑，张瑞敏，周帆，杨韵斐，高俊妍，孙俊浩，张强，刘伟，周文元，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：