覆Os膜M型陰極高發(fā)射性能隨真空度變化的研究
在覆Os 膜M 型陰極工作于75 A/ cm2 高電流密度的情況下, 逐級降低真空系統(tǒng)的真空度, 測出了陰極電流密度隨真空度變化的關系曲線。分析表明, 當系統(tǒng)真空度為1.0 × 10- 5 Pa 時, 陰極發(fā)射開始出現(xiàn)明顯下降, 下降幅度達1.96%; 當真空度為2.07× 10- 4 Pa 時, 陰極電流密度降低10%, 陰極壽命接近終了。進一步研究認為, 對于微波管而言, 通過滲漏進入微波管內(nèi)的大氣特別是其中的氧分子, 將陰極表面的Ba+ (a) 轉(zhuǎn)變?yōu)锽a2+ , 使得陰極表面的發(fā)射單元逐步喪失電子發(fā)射能力; 與此同時, 真空度降低帶來的離子轟擊使得離子斑區(qū)域的覆膜層消失, 導致該區(qū)域功函數(shù)升高。兩種因素的共同作用, 使得微波管中陰極的發(fā)射性能逐步下降。
小型多注速調(diào)管是飛行器制導使用的一種高性能微波管。該管正常工作時, 陰極峰值電流高達1458~ 1550 mA, 對應電流密度為73~ 78 A/ cm2。使用中發(fā)現(xiàn), 少量管子在存放一段時間后, 陰極發(fā)射性能出現(xiàn)明顯下降, 且很難恢復。判斷認為, 大部分失效管發(fā)生了大氣微滲漏現(xiàn)象。
用戶及陰極研究人員迫切想知道, 這種高電流密度陰極在什么真空度下開始明顯失效, 又在何種真空度下壽命終了, 其失效的機理如何? 但是, 真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)檢索發(fā)現(xiàn), 國際上關于高電流密度陰極發(fā)生大氣滲漏中毒的相關報道極少。
鑒于上述情況, 本文開展了相關模擬研究。模擬研究包括, 解剖小型多注速調(diào)管以獲得多注陰極的尺寸及表面成分, 制備同等發(fā)射面積的單注模擬陰極, 對模擬陰極進行不同真空度下的發(fā)射測試, 獲得發(fā)射-真空度關系曲線, 開展陰極中毒機理分析。
實驗主要包括以下幾部分:解剖小型多注速調(diào)管取出多注陰極。手工拆解多注速調(diào)管, 拆解中, 禁止陰極接觸含水和油污的介質(zhì)以及任何金屬顆粒, 拆解出兩個多注陰極熱子組件。
拆出多注陰極熱子組件后, 一個用于陰極分析,以確定陰極尺寸、陰極內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面覆膜層成分;另一個裝入真空系統(tǒng)測量陰極的工作溫度。在分析基礎上, 制備模擬陰極。所制備的模擬陰極在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面成分上與多注陰極近似, 在發(fā)射面積上, 與多注陰極總的發(fā)射面積相等, 且模擬陰極的發(fā)射性能達到與多注陰極相當?shù)乃健＝酉聛? 利用高真空水冷二極管陰極動態(tài)測試系統(tǒng) , 對模擬陰極進行發(fā)射性能隨真空度變化的研究。為精確測量和控制大氣進入系統(tǒng)后帶來的真空度變化, 配置了高精度真空計及小流量高精度流量計。測試電源選用0.3% 的工作比( 脈寬30 us, 重復頻率1000Hz) 。
發(fā)射測試步驟為: 1、在高真空下, 對陰極進行激活并對陽極除氣; 2、陰極停止加熱, 5 min 后設置并調(diào)節(jié)系統(tǒng)真空度; 3、真空度穩(wěn)定后, 2 min 內(nèi)將陰極加熱至工作溫度; 4、調(diào)整陰極-陽極距離及陰-陽極電壓, 使起始電流達到1468~ 1550 mA; 5、測完該點后, 從2開始重復后面的步驟, 直至陰極發(fā)射降10% 以上。
試驗采用的主要設備及儀器包括, VEGA TESCAN掃描電鏡(SEM) 、陰極專用磁控濺射覆膜臺、脈沖發(fā)射測試電源、Televac 公司的CC- 10 真空計和Alicat 公司的1ml/ min(標準狀態(tài)) 的高精度流量計等。
為了解小型多注速調(diào)管陰極在高發(fā)射狀態(tài)下的大氣中毒過程及中毒機理, 制備了直徑直徑1.6 mm 的單注覆膜陰極, 以模擬18 注多注陰極( 每注陰極直徑為直徑0.37 mm) 。測試表明, 制備的單注陰極的發(fā)射性能完全滿足多注陰極高發(fā)射的要求。采用利用水冷二極管發(fā)射裝置, 完成了模擬陰極電流隨真空度變化的研究工作。測試表明, 當系統(tǒng)真空度為1.0 × 10-5 Pa 時, 陰極發(fā)射開始出現(xiàn)明顯下降, 下降幅度達1.96% ; 當系統(tǒng)真空度為2.07× 10-4 Pa 時, 陰極電流密度降低10%, 陰極壽命接近終了。研究認為, 當真空度微幅下降, 且氣壓低于8.3× 10-6 Pa 時, 陰極表面的Os 膜因具有易氧化和快速蒸發(fā)的特性, 對少量的外來氧表出了較強的自潔凈能力。在這一階段, 真空度雖然降低, 但陰極在表面仍保留足夠數(shù)量的、高發(fā)射所需的O-(a) 和Ba+ (a) , 使得陰極發(fā)射維持不變。陰極這一階段的良好表現(xiàn), 恰好反映出了覆Os 膜陰極具有良好的抗中毒能力。
當真空度大幅下降時, 陰極表面維持發(fā)射所需的平衡逐步被破壞。此時外界侵入微波管內(nèi)的大氣對陰極表面帶來不利影響。作用的結(jié)果, 一是使得一部分外來氧吸附在陰極表面, 對陰極表面原有的O- (a) 的含量形成稀釋; 二是奪走Ba+ (a) 的自由電子, 使其變?yōu)锽a2+ (a) 。兩種元素綜合作用陰極電子發(fā)射能力顯著下降。在真實微波管中, 因真空度下降帶來的離子轟擊, 會在陰極表面形成離子斑。離子斑區(qū)域因覆膜層消失, 功函數(shù)大幅升高, 其電子發(fā)射能力急劇降低。
真空度降低引起的氧化及離子轟擊作用, 使得微波管中陰極的發(fā)射性能逐步下降。
